Đồ án môn học chuyên ngành công nghệ điện hóa: Sản xuất xút clo hidro

Đồ án môn học chuyên ngành công nghệ điện hóa
Đề tài sản xuất xút clo hidro

Giới thiệu chung:
Công nghiệp càng phát triển mạnh mẽ thì nhu cầu về các loại hóa chất
phụ trợ cho nó ngày càng nhiều. Các hóa chất như vậy được gọi là các
loại hóa chất cơ bản, đóng vai trò rất quan trọng trong các quá trình
tổng hợp các chất khác. Một số loại hóa chất cơ bản được sản xuất với
số lượng rất lớn như NaOH hay các loại khí như khí H 2 khí Cl 2 ... Nhu
cầu về các loại hóa chất này kéo theo yêu cầu về một phương pháp rẻ
tiền tận dụng được các nguồn nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên. Vì
vậy nên phương pháp sản xuất xút clo hidro bằng phương pháp điện
phân dung dịch muối ăn đã ra đời.
Được thầy Nguyễn Xuân Huy giao nhiệm vụ tìm hiểu về “ Phương
pháp sản xuất xút clo hidro ”. Dựa trên các kiến thức đã học cũng như
sự hướng dẫn của thầy em đã hoàn thành xong đồ án môn học của
mình.
Mặc dù đã chuẩn bị nhưng do hạn chế về kiến thức nên khó có thể
tránh khỏi sai sót nên em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
thầy.
Em xin chân thành cảm ơn
Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Long
Lớp: ĐHCNH Vô cơ K7
Nhận xét của giáo viên
............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 1

..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................
..............................................................................................................................

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Lịch sử của phương pháp điện phân sản xuất xút clo hidro và
nhu cầu hiện nay
1.1.1 Lịch sử của phương pháp điện phân sản xuất xút clo hidro.
Các sản phẩm của quá trình điện phân sản xuất muối ăn bao gồm xút,
khí clo, khí hidro là các hóa chất cơ bản thiết yếu phục vụ cho quá
trình sản xuất các sản phẩm của các ngành công nghiệp. Vì thế từ lâu
người ta đã phát triển phương pháp điện phân sản xuất xút clo hidro.
Lịch sử quá trình phát triển như sau:
+ năm 1807 người ta đưa ra phương pháp điện phân muối ăn (NaCl)
+năm 1879 áp dụng lí thuyết vào thực tế
+năm 1897 chế tạo thiết bị điện phân muối ăn
+năm 1900 ứng dụng vào lĩnh vực sản xuất khí clo
+năm 1912 một số loại thùng điện phân ra đời
....
Các sản phẩm của quá trình điện phân dd muối ăn ( NaCl) được sử
dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Cụ thể là
a) xút (NaOH)
Tính chất vật lý của xút (NaOH):
-tỷ trọng trong dung dịch là 1,829 g/cm3
-là chất lỏng không màu, không mùi.
-có tính ăn da.
Tính Chất Hóa Học:

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 3


- Phản ứng với các axít và ôxít axít tạo thành muối và nước

NaOH(dd) + HCl(dd) → NaCl(dd) + H 2 O
-Phản ứng với cacbon điôxít
2 NaOH + CO 2 → Na 2 CO 3 + H 2 O
- Phản ứng với các axít hữu cơ tạo thành muối của nó và thủy phân
este
- Phản ứng với muối tạo thành bazơ mới và muối mới:
2 NaOH + CuCl 2 → 2 NaCl + Cu(OH) 2
Xút được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp, trong rất
nhiều các lĩnh vực
+công nghệ giấy: NaOH được dùng để làm chất xử lí gỗ trong sản xuất
giấy theo phương pháp Sunfit và Sunfat.
+dệt may: dùng phân hủy ligin là chất có hại thường đi kèm với
cellulose trong bột gỗ, dùng làm chất phân hủy pectins , sáp trong quá
trình xử lý vải thô , làm tăng độ bóng và hấp thụ màu cho vải nhuộm.
+chất tẩy rửa: dùng thủy phân chất béo trong dầu mỡ động thực vật để
làm xà phòng. Natri hydroxit và các hợp chất Natri là những thành
phần quan trọng trong sản xuất các chất tẩy giặt.
+dược phẩm: sản xuất NaHCO 3
+công nghiệp sản xuất nhôm.
+công nghiệp sản xuất sô-đa Na 2 CO 3
các lĩnh vực sử dụng xút chính hiện nay
b) khí clo
Tính chất vật lí
-Là chất khí ở điều kiện bình thường, màu vàng lục,mùi xốc, nặng hơn
không khí 2,5 lần.

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 4


-Dưới áp suất thường hoá lỏng ở -33,60C và hoá rắn ở -101,00C; clo

rất dễ hoá lỏng ở áp suất cao.
-Tan vừa phải trong nước, tan nhiều trong dung môi hữu cơ nhất là
hexan và cacbon tetraclorua.
-Khí clo rất độc,nó phá hoại niêm mạc đường hô hấp.
-Có khả năng sát khuẩn do tính oxi hóa mạnh
Tính chất hóa học
Clo có độ âm điện lớn (3,16) chỉ đứng sau flo (3,98) và oxi (3,44) vì
vậy trong hợp chất với các nguyên tố này clo có số oxh dương (+1,
+3, +5, +7) còn trong hợp chất với các nguyên tố khác clo có số oxi
hoá âm (-1).
Là phi kim rất hoạt động, là chất oxi hoá rất mạnh, tuy nhiên trong 1
số phản ứng clo cũng thể hiện tính khử.
-Tác dụng với kim loại
-Tác dụng với Hidro
-Tác dụng với nước và dung dịch kiềm
-Tác dụng với muối của các halogen khác
-Tác dụng với các chất hữu cơ tạo các dẫn xuất
các lĩnh vực sử dụng bao gồm
+chất tẩy rửa: điều chế nước Javen
Cl 2 +2NaOH = NaCl+NaClO +H 2 O
+giấy: dùng để tẩy trắng giấy.
+dung môi hữu cơ: sản xuất các dung môi hữu cơ như CCl 4 , CHCl 3
CH 4 +4Cl 2 =CCl 4 +4HCl
+chất dẻo: sản xuất PVC (polivinylclorua)
CH 2 =CH 2 +Cl 2 = CH 2 Cl-CH 2 Cl
CH 2 Cl-CH 2 Cl = CHCl=CH 2 +HCl

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 5

+tổng hợp hữu cơ: sản xuất các dẫn xuất chứa clo được sử dụng trong
nông nghiệp (thuốc trừ sâu…)
c)khí Hidro
Tính chất vật lí
-Là khí không màu, không mùi, nhẹ nhất trong tất cả các khí
Tính chất hóa học
-Thể hiện tính khử khi tham gia các phản với các phi kim khác
-thể hiện tính oxi hóa khi phản ứng với các kim loại kiềm, kiềm thổ
Khí hidro tham gia vào các quá trình như
+tổng hợp amoniac
3H 2 +N 2 =2NH 3
+sản xuất phân đạm
3H 2 +N 2 =2NH 3
NH 3 +CO 2 =CO(NH 2 ) 2 + H 2 O
+sản xuất HNO 3 đi từ NH 3
3H 2 +N 2 =2NH 3
4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O
2NO + O 2 = 2NO 2

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 6


3NO 2 + H 2 O = 2HNO 3 + NO
+luyện kim dùng để khử các oxit ở t cao:
MxOy + H 2 = xM+ yH 2 O
(M là các oxit đứng sau Al trong dãy điện hóa)
+gia công kim loại : dùng để hàn cắt kim loại sử dụng hỗn hợp cháy là
Oxi và Hidro
2H 2 +O 2 =2H 2 O
(phản ứng này tỏa nhiều nhiệt : 286 kJ/mol)

1.1.2 Nhu cầu hiện nay với các sản phẩm từ quá trình điện phân
dung dịch muối ăn.
Theo Công ty phân tích thị trường MicroMarket Monitor, thị trường
sôđa toàn cầu đã đạt giá trị 27,7 tỉ USD trong năm 2014 và dự báo sẽ
đạt giá trị 38,5 tỉ USD vào năm 2019, với tốc độ tăng trưởng trung
bình 6,7%/năm trong thời gian 2014-2019.
Khu vực Châu Á-Thái Bình Dương hiện chiếm 52% tổng giá trị thị
trường sôđa toàn cầu và được dự báo sẽ tăng trưởng với tốc độ trung
bình 7,1%/năm trong thời gian 2014-2019. Trong các lĩnh vực ứng
dụng, các ngành chế biến thực phẩm và sản xuất giấy chiếm 22,0%,
còn ngành sản xuất hóa chất hữu cơ chiếm 20% tổng nhu cầu sôđa
trong năm 2014.
Trong khi đó, thị trường xút-clo toàn cầu được dự báo sẽ đạt tốc độ
tăng trưởng trung bình 6,0%/năm trong thời gian 2014-2019 và dự
kiến sẽ đạt tổng giá trị 93,9 tỉ USD vào năm 2019.
Riêng thị trường clo toàn cầu được dự báo sẽ đạt giá trị 33,3 tỉ USD
vào năm 2019 với tốc độ tăng trưởng trung bình 4,9%/năm trong thời
gian 2014-2019.
Nhu cầu clo đã tiếp tục tăng trưởng trên toàn cầu nhờ nhu cầu gia tăng
đối với các sản phẩm chứa clo ở những nước đang phát triển như
Trung Quốc, Ấn Độ, các nước khu vực Đông Bắc Á, Đông Âu và châu
Phi. Ngoài ra, sự phát triển của những ứng dụng trên thị trường cuối

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 7


và việc các nhà máy mới sẽ đi vào vận hành trong thời gian tới cũng
sẽ là động lực cho sự tăng trưởng của thị trường clo.
Clo có nhiều ứng dụng khác nhau, như sản xuất các polyme

EDC/PVC, hóa chất hữu cơ và vô cơ, các sản phẩm trung gian chứa
clorua, isoxyanua, các chất thơm C1/C2, hóa chất trong sản xuất giấy
và bột giấy, hóa chất xử lý nước
Ngành sản xuất xe ô tô đang phát triển, nhất là ở khu vực châu Á,
cũng là động lực quan trọng cho nhu cầu vật liệu kính xe ô tô, kéo
theo nhu cầu đối với các sản phẩm sôđa và các sản phẩm dẫn xuất có
chứa clo. Đồng thời, các tiêu chuẩn vệ sinh ngày càng tăng, mức độ vệ
sinh trong cuộc sống được cải thiện cũng như tiêu thụ nước sạch ngày
càng tăng đang thúc đẩy nhu cầu tiêu thụ clo trong lĩnh vực tẩy trùng
ở nhiều nước đang phát triển.
Mặt khác, ngành sản xuất xút-clo bị hạn chế mạnh do ảnh hưởng bất
lợi của nó đối với môi trường. Sự thất thoát và phát thải clorua vào
môi trường luôn được theo dõi và kiểm tra chặt chẽ.

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 8


Mỗi năm trên thế giới sản xuất được khoảng 45 triệu tấn xút. 1/3 trong
số đó được sản xuất tại Mỹ, với công suất đạt 18,5 triệu tấn xút /năm.
Năm 2002 sản lượng xút của Mỹ đạt 15 triệu tấn. Các nước Tây Âu
sản xuất mỗi năm khoảng 10 triệu tấn xút. Ba công ty sản xuất xút clo
lớn nhất thế giới hiện nay là Dow Chemical, Oxychem và Solvay.
Công suất xút toàn thế giới năm 2002 đạt 52 triệu tấn, trong đó phân
bổ theo các nước và khu vực như sau:

Khoảng 94% xút được buôn bán ở dạng lỏng (thường là 50% NaOH),
trong đó gần 2 triệu tấn được vận chuyển bằng đường biển và trên 5
triệu tấn được vận chuyển bằng đường bộ. Xút lỏng được buôn bán
trên thế giới chủ yếu phục vụ nhu cầu sản xuất nhôm oxit (alumin) tại
các nước như Ôxtrâylia, Braxin, Vênêzuêla, Surinam, Giamaica và

Ghinê, trong đó đáng kể nhất là Ôxtrâylia.
Sản lượng xút của các nước châu Á – Thái Bình Dương năm 2012

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 9


Nước
Trung Quốc
Nhật Bản
Ấn Độ
Hàn Quốc
Inđônêxia
Đài Loan
Thái Lan
Ôxtrâylia
Malayxia
Philipin
Singapo
Tổng

Sản lượng (nghìn tấn/năm)
8230
2755
2552
990
806
756
508
125
100

28
22
16872

1.2 Các phương pháp được sử dụng hiện nay
Các trên thế giới hiện nay có 2 phương pháp chính đang được sử dụng
để điện phân dung dịch muối ăn hiện nay là:
+Phương pháp catot lỏng.
+Phương pháp catot rắn.
1.2.1 phương pháp catot lỏng
Phương pháp này sử dụng điện cực catot là thủy ngân lỏng. Phương
pháp này được áp dụng vào sản xuất công nghiệp đầu tiên tại Châu
Âu. Hiện nay vẫn có một số nhà máy áp dụng công nghệ này để sản
xuất.
Các phản ứng chính xảy ra khi thực hiện điện phân:
+tại catot Na + +mHg +e  Hg m Na
+tại anot 2Cl - -2e  Cl 2
Lí do trên catot không thu được khí mà thu được kim loại là do quá
thế thoát khí lớn hơn rất nhiều so với quá thể thoát kim loại và thủy
ngân có thể tạo hỗn hống rât tốt với các kim loại.
Sau khi phản ứng xảy ra, người ta thu được khí clo tại anot và hỗn
hống Hg-Na tại catot. Để thu được xút và khí Hidro thì cần tiến hành
thêm một bước nữa là phân hủy hỗng hốn để tạo ra xút và khí H 2

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 10


2HgmNa +2 H 2 O  2mHg +2NaOH + H 2

Nước muối sẽ được cho vào bể điện phân với điện cực anot là điện

cực graphit có dạng tấm hoặc dạng răng bừa có thể di chuyển được.
Điện cực catot là một lớp thủy ngân lỏng mỏng ở đáy bể. Sau khi phản
ứng xảy ra ta sẽ thu được khí clo ở anot. Người ta sẽ liên tục rút hỗn
hống Hg-Na ra ở đáy bể phản ứng. Hỗn hống được đưa qua thiết bị
phân hủy hỗn hốn để phản ứng với nước thu khí và xút. Hg sau khi
được tách ra ở dạng lỏng sẽ được tuần hoàn trở lại bể phản ứng để tiếp
tục thực hiện quá trình điện
phân theo một chu trình kín.
Ưu điểm của phương pháp này là thu được xút có nồng độ cao, không
cần mất chi phí cô đặc xút sau quá trình điện phân.
Nhược điểm: yêu cầu sử dụng điện thế rât cao và sử dụng một chất rất
độc là Hg nên phương pháp này đang bị hạn chế dần quy mô và tiến
đến ngưng sử dụng trên toàn thế giới.
1.2.2 Phương pháp catot rắn.
Đây là phương pháp giải quyết được nhược điểm của phương pháp
catot lỏng là độc hại với môi trường và con người do sử dụng catot
Hg. Với phương pháp catot rắn catot sẽ được làm bằng kim loại không

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 11


phải thủy ngân nên không gây ô nhiễm và an toàn. Đây là phương
pháp thay thế cho phương pháp catot lỏng trong thực tế.
Các phản ứng xảy ra trên các điện cực.
+tại anot 2Cl - -2e  Cl 2
+tại catot 2H 2 O +2e  H 2 +2OH trong dung dịch thu được thì OH - sẽ kết hợp với Na + tạo ra NaOH. Để
tránh các phản ứng xảy ra giữa Cl2 sinh ra ở anot tác dụng với NaOH
và khí H2 người ta xử dụng màng ngăn ngăn giữa anot và dung dịch
cũng như catot. Người ta sẽ thường xuyên tháo sản phẩm ở đáy thùng
và cho nước muối vào để tiến hành điện phân liên tục.

Sơ đồ thiết bị điện phân với catot rắn.
1:
2:
3:
4:

anot
catot đã có màng ngăn bên ngoài
không gian bên anot
không gian bên catot

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 12


Ưu điểm của phương pháp này là thân thiện với môi trường và con
người do không sử dụng thủy ngân.
Nhược điểm chính của phương pháp này là xút tạo ra có chất lượng
không cao, lẫn nhiều muối ăn và có nồng độ thấp và cần phải tiến
hành chưng cất cô đặc thì mới có thể sử dụng được. Chương 2: các
quá trình diễn ra khi thực hiện điện phân
2.1 các quá trình xảy ra với phương pháp catot lỏng
2.1.1 quá trình xảy ra với catot
Với thiết bị điện phân sử dụng catot lỏng (catot thủy ngân)
Phản ứng chính xảy ra là phản ứng tạo thành hỗn hốn Hg-Na. Lí do là
quá thế (ɳ) thoát kim loại trên catot thủy ngân nhỏ hơn rất nhiều so
với quá thế thoát hidro: ɳ Na + /Na = -0,27V ɳ H + / H =0V. Kết quả là trên
catot có phản ứng sau:
nHg + e + Na +  Hg n Na
Nếu như quá trình làm sạch nước muối không đảm bảo, trong dung

dịch còn lẫn các ion kim loại khác như Mg, Ca... thì sẽ có các phản
ứng phụ như sau
nHg + 2e + Mg 2+ (Ca 2+ )  Hg n Mg (Hg n Ca)
Bản thân các kim loại này lại đóng vai trò như một catot, tiếp tục diễn
ra phản ứng điện phân nước.
(Mg/Ca) 2H 2 O +e  H 2 + 2OH quá trình này xảy ra gây lãng phí điện năng, thay đổi pH của dung
dịch, ảnh hưởng đến quá trình điện phân.
2.1.2 Quá trình ra với anot xảy
với anot than chì graphit xảy ra phản ứng sau
2Cl - -2e  Cl 2
ngoài ra còn có phản ứng
2 H 2 O - 4e  O 2 + 4H +
sản phẩm chính là khí Clo

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 13


2.1.3 các quá trình thứ
Các quá trình thứ có thể diễn ra trên điện cực anot bao gồm các phản
ứng sau:
Cl2+H2O  HCl+ HClO
C + O2  CO2
ClO- + OH- - 6e  2ClO3- + 6Cl- + 3/2 O2 + 3H2O
HCl + OH-  H2O + ClHClO + OH-  H2O + ClOHClO + ClO-  ClO 3 - + 2Cl- + 2H+
các quá trình này ảnh hưởng nhiều tới chất lượng của sản phẩm thu
được, làm tiêu tốn điện năng và tiêu tốn sản phẩm, đồng thời làm giảm
hiệu suất của quá trình điện phân. Để hạn chế các quá trình thứ này
người ta thường gia nhiệt cho dung dịch điện phân đến nhiệt độ 7080 o C, đồng thời sử dụng dung dịch nước muối bão hòa. Ngoài ra
người ta còn liên tục lấy sản phẩn ra ngoài để tạo điều kiện cho phản
ứng sảy ra.

2.1.4 quá trình phân hủy hỗn hống
Quá trình phân hủy hỗn hống là quá trình cuối cùng để tạo ra sản
phẩm là xút và khí H 2 Quá trình phản ứng diễn ra như sau.
2HgnNa+ H2O  2nHg + 2NaOH + H2
thực chất quá trình này có thể coi là một quá trình hoạt động của một
pin ngắn mạch với các quá trình anot và catot như sau:
(anot) Na -e  Na+
(catot) H2O +e  H2 + OHsơ đồ pin điện hóa này như sau:
(-) HgnNa|NaOH| C (+)

2.2 các quá trình xảy ra với phương pháp catot rắn
2.2.1 các quá trình xảy ra trên catot
Do catot thường dùng là thép (Fe – C) nên có phản ứng sau:
2H2O + 2e  H2 + OHQuá trình thoát kim loại không thể xảy ra do ɳ thoát kim loại lớn hơn

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 14


rất nhiều ɳ thoát hidro.
Trên catot của phương pháp catot rắn không xảy ra phản ứng phụ.
2.2.2 các quá trình xảy ra trên anot
trên anot graphit của bình điện phân sẽ xảy ra các phản ứng sau
2Cl - -2e  Cl 2
ngoài phản ứng chính ở trên còn có phản ứng phụ sau:
2H 2 O – 4e  O 2 + 4H +
2.2.3 các quá trình thứ
Tương tự với các phản ứng sử dụng catot lỏng thì phương pháp catot
rắn cũng có một số phản ứng thứ sau:
Cl2+H2O  HCl+ HClO
C + O2  CO2

ClO- + OH- - 6e  2ClO3- + 6Cl- + 3/2 O2 + 3H2O
HCl + OH-  H2O + ClHClO + OH-  H2O + ClOHClO + ClO-  ClO3- + 2Cl- + 2H+
Nhìn chung các phản ứng này đều làm mất sản phẩm và làm giảm hiệu
xuất quá trình phản ứng
Chương 3: Quá trình sản xuất theo phương pháp catot rắn.
3.1 sơ đồ quá trình sản xuất theo phướng pháp catot rắn sử dụng
màng ngăn

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 15


Quá trình sản xuất bắt đầu từ khâu tinh chế muối. Tại đây muối sẽ
được làm sạch các tạp chất cơ học cũng như được loại bỏ các ion
không có lợi theo phương pháp hóa học. Tại một số nhà máy dung
dịch nước muối sẽ được đi qua hệ thống bể có màng lọc dạng nhựa
trao đổi ion để làm sạch triệt để. Sau đó nước muối được sục hơi nước
vào để gia nhiệt đồng thời cô cạn một phần nước để tạo dung dịch bão
hòa. Dung dịch sau khi đã cô được dẫn vào hệ thống các bể điện phân
có màng ngăn để tiến hành điện phân. Do quá trình sản xuất diễn ra
liên tục nên sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Tại anot là khí Clo,
tại Catot là khí Hidro và xút sẽ được lấy ra tại bể điện phân.

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 16


3.2 nguyên liệu và chuẩn bị nguyên liệu
3.2.1 nguyên liệu cho quá trình điện phân
Nguyên liệu cho quá trình điện phân là muối NaCl dạng rắn. Nguyên
liệu này có thể lấy từ rất nhiều nguồn như:
+từ các mỏ muối.

+từ muối biển
Muối cần phải đạt các yêu cầu sau mới thỏa mãn làm điều kiện cho
quá trình điện phân:
+hàm lượng NaCl > 97,5%
+hàm lượng chất tan < 0,5 %
+hàm lượng Ca 2+ < 0,4%
+hàm lượng Mg 2+ < 0,05%
+hàm lượng K + <0,002%
+hàm lượng SO 4 2 - <0,84%
Do muối NaCl luôn luôn có lẫn các tạp chất ảnh hưởng đến quá trình
điện phân nên cần tiến hành lọc tách bỏ các tạp chất để quá trình điện
phân diễn ra tốt nhất.
3.2.2 quá trình tinh chế muối
Do Ca 2 + và Mg 2 + cũng như SO 4 2 - đều là các ion không có lợi cho quá
trình điện phân nên cần tiến hành loại bỏ các ion này.
Các phương pháp để loại bỏ các ion này bao gồm:
+Phương pháp soda - kiềm
+Phương pháp sữa vôi – soda
+Phương pháp sữa vôi – sunfat
+Phương trao đổi ion
+Phương pháp hồng ngoại
a) Phương pháp soda- kiềm
Hóa chất được sử dụng là Na 2 CO 3 và NaOH. Khi tan vào dd chúng tạo
ra các ion tương ứng là Na + ,CO 3 2 - và OH - . Quá trình làm sạch diễn ra
như sau:
Ca 2+ + CO 3 2 -  CaCO 3
Mg 2+ + 2OH -  Mg(OH) 2

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 17

Ba 2+ + SO 4 2 -  BaSO 4
Các chất trên sinh ra ở dạng kết tủa, có thể lọc tách dễ dàng.
Sau khi lọc tách kết tủa người ta cho HCl vào để trung hòa lượng kiềm
dư cũng như để đẩy hết CO 3 2 - thành dạng CO 2 bay đi.
Ưu điểm của phương pháp này là loại sạch các tạp chất.
Nhược điểm là tốn kém hóa chất, tốn chi phí. Tuy nhiên đây vẫn là
phương pháp được dùng chủ yếu hiện nay.
b) Phương pháp sữa vôi – soda
phương pháp nay sử dụng Ca(OH) 2 và Na 2 CO 3 thường dùng để sử lí
muối chứa nhiều ion Mg 2+
các chất trên khi tan trong dung dịch tạo các ion Ca 2 + Na + và CO 3 2 quá trình làm sạch như sau:
Ca 2+ + CO 3 2 -  CaCO 3
Mg 2+ + 2OH -  Mg(OH) 2
Phương pháp này tiết kiệm được chi phí do giảm được lượng NaOH
phải dùng.
c) Phương pháp sữa vôi sunfat
Hóa chất được sử dụng là Ca(OH) 2 , Na 2 SO 4 , Na 2 CO 3 , BaCl 2 . Khi tan
trong dung dịch cho ra các ion tương ứng là Ca 2 + , CO 3 2 - Na + , Ba 2 + ,
SO 4 2
Quá trình làm sạch như sau
Ca 2+ + CO 3 2 -  CaCO 3
Mg 2+ + 2OH -  Mg(OH) 2
Ca 2+ + SO 4 2 -  CaSO 4
Ba 2+ + SO 4 2 -  BaSO 4

d) Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp này sử dụng các loại nhựa trao đổi ion để loại bỏ các tạp
chất. Tùy vào loại ion cần loại bỏ mà sử dụng loại nhựa thích hợp
(catiolit và aniolit)

R-Na + +Mg 2 + (Ca 2 + )  2R-Mg (2R-Ca) + 2Na +
R-Cl- + CO 3 2 -  2R-CO 3 + 2Cl -

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 18


Ưu điểm của phương pháp này là có thể thu được dung dịch nước
muối rất sạch dùng để sản xuất xút dùng cho mục đích y học.
Nhược điểm là rất tốn kém và đắt tiền
e) Phương pháp hồng ngoại
Phương pháp này dùng tia hồng ngoại cho đi qua các tinh thể muối,
các tinh thể không chứa tạp chất được đi qu, các tinh thể chưa tạp chất
hấp thụ tia hồng ngoại, bị nóng lên. Khi cho qua các băng chuyền
nhạy nhiệt, các tinh thể chứa tạp chất bị loại bỏ. Phương pháp này
không được áp dụng.
3.2.3 quá trình xử lí nước dung dịch điện phân
ung dịch nước muối để điện phân ngoài các yêu cầu về sạch tạp chất
cần phải đạt các yêu cầu sau:
+dung dịch có nồng độ bão hòa.
+dung dịch có nhiệt độ khoảng 70-80 o C
để có thể đạt được song song hai điều kiện này người ta sử dụng biện
pháp gia nhiệt cho bể hòa tan nước muối bằng hơi nước bão hòa, sục
trực tiếp vào bể. Điều này sẽ khiến cho nhiệt độ nước muối được nâng
cao, đồng thời quá trình hòa tan muối diễn ra dễ dàng, dung dịch thu
được ở trang thái bão hòa.
Sơ đồ bể hòa tan nước muối

1

4

2

1: cửa chảy tràn
2: bể hòa tan muối

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 19

3


3: dung dịch nước muối
4: ống dẫn hơi nước
Nước muối sau khi đạt trạng thái bão hòa sẽ qua cửa chảy tràn để đi
vào thiêt bị điện phân. Cặn và tạp chất sẽ lắng lại ở đáy bể, không
theo nước muối vào thiết bị điện phân.
Nếu yêu cầu nước muối có độ tin khiết cao người ta có thể cho qua hệ
thống màng lọc trao đổi ion để thu được nước muối có độ tinh khiết
cao.
3.3.3 Quá trình điện phân
Quá trình điện phân với bình điện phân có màng ngăn
tại điện cực anot sẽ xảy ra quá trình
2Cl- -2e  Cl 2
tại catot sẽ là quá trình
H 2 O +e  H 2 + OHquá trình kết hợp giữa Na+ và OH- tạo ra xút
Na+ + OH-  NaOH

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 20

Sau khi nước muối được tinh chế sạch tạp chất sẽ được dẫn vào các
thùng điên phân để tiến hành quá trình điện phân. Giữa anot và catot
của bình điện phân được ngăn cách với nhau bởi màng ngăn để ngăn
không cho khí Clo tại anot tiếp xúc với xút. Màng này thường được
làm bằng amiang với tính chất chỉ cho các ion đi qua mà không cho
các phân tử đi qua. Như vậy khí Clo sinh ra sẽ không tiếp xúc được
với NaOH.
Công nghệ này được áp dụng chủ yếu tại Mỹ. Hiện nay có khoảng
71% lượng xút theo phương pháp này được sản xuất tại Mỹ và 20% tại
châu Âu. Bể điện phân kiểu này đơn giản nhưng có hiệu quả không
cao, xút thu được có nồng độ rất loãng và chứa nhiều tạp chất, xút sản
xuất ra cần phải cô đặc tinh chế.
Tạp chất
NaCl
NaClO 3
Na 2 CO 3
Na 2 SO 4

Hàm lượng (thường)
1%(trọng lượng)
0,15% (trọng lượng)
0,1% (trọng lượng)
0,01% (trọng lượng)

Hàm lượng tối đa
1-3% trọng lượng
0,3% trọng lượng
0,2% trọng lượng
0,02% trọng lượng

bảng tạp chất lẫn trong xút sản xuất theo phương pháp catot rắn dùng
màng ngăn amiang.
Ngoài vấn đề tạp chất, xút tạo ra có nồng độ loãng nên cần phải tiến
hành cô đặc đồng thời phải tách muối mới sử dụng được.
Lượng điện tiêu tốn cho quá trình sản xuất xút khoảng 5000KWh đã
quy đổi ra điện 1 chiều cho 1 tấn xút thu được nhưng do phải mất
công cô đặc nên năng lượng tiêu tốn rất nhiều.
Sau một thời gian hoạt động cần phải kiểm tra xem có hiện tượng
khuếch tán khí clo từ anot sang catot hay không. Nêu có cần phải tiến
hành thay màng lọc.Quá trình điện phân với thiết bị điện phân sử dụng
màng lọc chọn lọc.
trong dung dịch nước muối điện phân có các ion chính là Na+ và Cl-.
Tại catot sẽ diễn ra quá trình điện phân nước
H 2 O+ e  H 2 + OH -

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 21


tại anot
2Cl - -2e  Cl 2
Do sử dụng màng chọn lọc ion nên chỉ có ion Na+ di chuyển từ
anot về vùng catot mà không có ion OH- từ catot đi sang anot nên
không có các phản ứng thứ xảy ra. Bên catot sẽ xảy ra phản ứng kết
hợp
Na + + OH -  NaOH

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 22


chu trình sản xuất Trong quá trình sản xuất người ta thường tận dụng

dung dịch sau điện phân để quay trở lại hòa tan muối ăn để tận dụng
lượng muối ăn còn sót lại trong dung dịch. Tuy nhiên do dung dịch
này được lấy ra ở phía anot nên có chứa một lượng nhỏ khí clo hòa
tan. Do đó cần phải khử clo trước khi đưa dung dịch này trở lại chu
trình sản xuất.Công nghệ này được phát triển tại Mỹ từ những năm
1970. Đến nay có khoảng 13% xút tại Mỹ và 25% xút tại châu âu được
sản xuất theo phương pháp này.
Ở công nghệ này người ta sử dụng màng trao đổi ion để tách các ion
clo và natri. Bể điện phân được chia thành hai khoang, khoang anôt
được nạp dung dịch nước muối bão hòa, còn khoang catôt được nạp
nước khử khóang. Màng trao đổi ion cho phép các ion natri di chuyển
về hướng màng, đồng thời giữ khí clo và dung dịch nước muối trong
một khoang ở phía bên kia của bể điện phân. Ion natri phản ứng với
nước tạo thành NaOH. Dung dịch xút được sản xuất bằng phương pháp
màng trao đổi ion thường có nồng độ NaOH 33 - 35% (trọng lượng).
Người ta cũng áp dụng công đoạn cô như ở phương pháp điện phân
màng ngăn, để tăng nồng độ xút lên 50% thích hợp cho vận chuyển.
Mục đích của công đoạn cô không phải là giảm hàm lượng NaCl, vì do
bản chất chọn lọc thẩm thấu của màng trao đổi ion nên hàm lượng
NaCl không đáng kể, hơn nữa lượng nước cần bay hơi cũng nhỏ hơn
so với phương pháp màng ngăn. Những lượng nhỏ của muối có thể đi
qua màng, làm cho dung dịch xút có nồng độ tối đa 75 ppm NaCl.
Nhưng sản phẩm xút của một số nhà sản xuất áp dụng công nghệ điện
phân màng trao đổi ion có thể có nồng độ NaCl cao hơn 100 ppm
Tạp chất
NaCl
NaClO3
Na2CO3
Na2SO4

Hàm lượng thường
Nhỏ hơn 30ppm
Nhỏ hơn 3ppm
0,03% (trọng lượng)
15ppm

Hàm lượng tối đa
75ppm
5ppm
0,05% trọng lượng
20ppm

bảng nồng độ tạp chất trong sản phấm xút theo phương pháp catot rắn
sử dụng màn chọn lọc ion.

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 23


Phương pháp này cho ra xút có nông độ cao, không cần cô đặc, không
chứa nhiều tạp chất, có thể phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Thiết
bị nhỏ gọn năng xuất lớn. Tuy nhiên do sử dụng màng ngăn chọn lọc
nên chi phí đầu tư cao. Điện năng tiêu thụ quy ra điện một chiều cho
phương pháp này là 3360KWh cho 1 tấn xút
3.3.4 các thiết bị và yêu cầu
Các thiết bị thường được sử dụng trong quá trình điện phân sản xuất
xút clo hidro bao gồm:
+thiết bị điện phân
+hệ thống điện cực
+màng ngăn.
a.Với thiết bị điện phân : do phải tiến hành làm việc ở điều kiện bị ăn

mòn cao nên cần sử dụng vật liệu chịu ăn mòn hóa học, chịu nhiệt độ
và độ muối cao.
b.Với hệ thống điện cực cần đảm bảo bền trong môi trường điện phân
như + không bị ăn mòn trong môi trường muối
+ có độ bền cơ học cao
+ dễ gia công và tạo hình cho điện cực
+ vật liệu rẻ tiền , dễ kiếm, dễ thay thế.
với anot yêu cầu có ɳthoát Clo nhỏ, ɳ thoát Oxi lớn nên sử dụng anot
là Ti phủ lớp TiO 2 và RuO 2 với tỉ lệ 2 oxi này là 7/3 có độ bền cơ cao,
bền ăn mòn và có ɳthoát clo nhỏ và thoát oxi lớn tuy nhiên vẫn khó
gia công và chế tạo.
Ngoài ra có thể sử dụng anot graphit rẻ tiền, dễ kiếm tuy nhiên lại có
độ bền thấp, dễ bị gãy vỡ nên cần phải kiểm tra thường xuyên để tránh
gây hỏng hóc thiết bị do chập mạch.
Với catot yêu cầu ɳthoát H2 phải nhỏ nên thường dùng các điện cực
bằng thép.
c. Với màng ngăn: yêu cầu phải bền, cho các chất đi qua với tính chọn
lọc , dễ dàng thay thế và sử dụng

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 24


3.3.5 các yếu tố làm tăng hiệu suất quá trình.
Để làm tăng hiệu suất của quá trình cần hạn chế các phản ứng thứ
cũng như các phản ứng phụ xảy ra. Các biện pháp kĩ thuật để hạn chế
các phản ứng thứ bao gồm:
+tăng nhiệt độ của dung dịch ở mức thích hợp (từ 70-80oC). Nếu như
nhiệt độ quá cao có thể dẫn tới muối kết tinh ở đáy bể cũng như làm
bay hơi nước trong sản phẩm khí dẫn đên việc phải mất công tách
nước.

+dung môi sử dụng chính là NaCl bão hòa nhằm hạn chế sự tan của
khí clo vào dung dịch.
+tăng cường sự lưu chuyển của dung dịch để tránh phân sự giảm nồng
độ giữa các vùng của bể điện phân.

CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT THEO
PHƯƠNG PHÁP CATOT LỎNG
4.1 sơ đồ quá trình

Nước muối sau khi đã được làm sạch các loại tạp chất như ở phương
pháp catot rắn sẽ được dẫn vào bể điện phân. Trong bể điện phân có

Điện phân sản xuất xút clo hidroPage 25