Một số phương pháp sản xuất NaOH

MỤC LỤC

1


MỞ ĐẦU

1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong thời đại của tiến bộ khoa học kĩ thuật và công nghệ, công nghiệp
hóa chất được sử dụng rộng rãi trong mọi mặt của đời sống xã hội, sản phẩm của
nó cũng được sử dụng rộng rãi.
Công nghiệp hóa chất ngày nay đang tiến những bước dài và đạt được
những thành tựu rất to lớn trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của nhiều
quốc gia trong đó có Việt Nam. Từ những hàng tiêu dùng cho tới nhiên liệu và
vật liệu dùng trong tên lửa và tàu vũ trụ đều là sản phẩm của ngành công nghiệp
hóa chất. Thế giới đang bước vào một thời đại mà các thành tựu của công
nghiệp hóa chất tác động tới tất cả các ngành trong nền kinh tế quốc dân: thời
đại hóa học hóa. Công cuộc xây dựng xã hội chủ nghĩa đòi hỏi sự phát triển
mạnh mẽ của công nghiệp hóa chất để phục vụ cho nông nghiệp, công nghiệp,
giao thông vận tải, y tế, quốc phòng... và để nâng cao đời sống cho nhân dân.
Công nghiệp hóa chất có vai trò to lớn trong nền sản xuất và trong đời sống như
cung cấp nguyên liệu và thành phẩm cho nhiều ngành công nghiệp; cung cấp
phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, giúp nâng cao năng suất trong nông nghiệp; tạo
nhiều sản phẩm mới mà đặc tính của chúng nhiều khi không có trong tự nhiên;
tận dụng được nguồn nguyên liệu trong tự nhiên và phế liệu của ngành khác; tạo
nhiều sản phẩm phục vụ nhu cầu con người như mĩ phẩm, thuốc men...
Như vậy, ngành công nghiệp sản xuất hóa chất đóng vai trò rất quan trọng
trong quá trình hình thành và phát triển của một chuỗi các ngành công nghiệp có
liên quan đến việc sử dụng hóa chất. Trong đó, ngành công nghiệp sản xuất
NaOH đóng vai trò quan trọng trong việc cung ứng sản phẩm NaOH dưới dạng
dung dịch cũng như dưới dạng khan cho nhiều ngành công nghiệp khác như

trong công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy, dệt may, xà phòng, chất tẩy rửa,
nước uống… Số liệu thống kê vào năm 2004 cho thấy lượng tiêu thụ NaOH khá
cao so với tổng lượng sản phẩm sản xuất ra trên toàn thế giới. Cụ thể, lượng tiêu
2


thụ, sử dụng NaOH lên đến 51 triệu tấn trong khi tổng sản lượng toàn thế giới là
60 triệu tấn. Điều này nói lên được ngành công nghiệp sản xuất NaOH đóng một
vai trò rất thiết yếu trong sự phát triển của các ngành công nghiệp.
Vì vậy chúng em mạnh dạn lựa chọn đề tài: “Một số phương pháp sản
xuất NaOH” để tìm hiểu về quá trình sản xuất NaOH trước kia và hiện nay, biết
những ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp và phương pháp được sử
dụng rông rãi hiện nay.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Tính chất hóa lí của NaOH.
- Ứng dụng của NaOH trong đời sống.
- Các phương pháp sản xuất NaOH trong công nghiệp và những ưu điểm nhược
điểm của các phương pháp.
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chúng em sử dụng chính là phương pháp nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu qua
sách, báo, tivi, internet, qua các giáo trình, tài liệu về những vấn đề có liên quan
đến các phương pháp sản xuất NaOH.

3


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN

A. Tổng quan về NaOH
I. Tính chất vật lí

-Natrihiđroxit (NaOH) được gọi là xút, Natri hiđroxit tạo thành dung dịch
kiềm mạnh khi hòa tan trong dung môi như nước, NaOH là chất rắn không
trong suốt, có màu trắng hút ẩm rất mạnh và tan dễ dàng trong nước và
rượu.Quá trình tan trong nước phát nhiều nhiệt.
-Người ta biết được một số hidrat của nó như NaOH.H2O, NaOH.3H2O và
NaOH.2H2O.Nước chỉ hoàn toàn mất khi chúng nóng chảy.

Hình: NaOH rắn

4


Bảng 1.Tính chất vật lý của NaOH
Công thức phân tử

NaOH

Khối lượng mol

39,9971 g mol-1

Trạng thái

Trắng, sáp, mờ đục tinh thể

Mùi

Không có mùi

Khối lượng riêng

2,13 g / cm3

Nhiệt độ nóng chảy

318 ° C, 591 K, 604 ° F

Nhiệt độ sôi

1388 ° C, 1661 K, 2530 ° F

Độ tan trong nước

111 g/100 ml (ở 20 ° C)

Độ tan trong methanol

23,8 g/100 ml

Độ tan trong ethanol

13,9 g/100 ml

II. Tính chất hóa học
NaOH rắn và dung dịch NaOH dễ hấp thụ độ ẩm và CO 2 trong không khí
gây chảy rữa và biến thành Na 2CO3 nên chúng thường được bảo quản trong các
thùng kín. NaOH là một bazơ mạnh; có tính ăn da, khả năng ăn mòn thiết bị cao.
Phản ứng mãnh liệt với nước giải phóng một lượng nhiệt lớn, nó cũng hòa tan
trong etanol và metanol. NaOH cũng hòa tan trong ete và các dung môi không
phân cực, và để lại màu vàng trên giấy và sợi.

-Dung dịch NaOH làm quỳ tím chuyển thành màu xanh. Phenolphtalein không
màu chuyển thành màu đỏ.
- NaOH là một bazơ mạnh, phân ly hoàn toàn thành ion khi tan trong nước:
NaOH → Na+ + OH+ Tác dụng với dung dịch axit tạo muối và nước:
NaOH + HNO3 → NaNO3 + H2O
5


NaOH + HCl → NaCl + H2O
+ Tác dụng với oxit axit tạo muối trung hòa hoặc muối axit:
2 NaOH + SO3 → Na2SO4 + H2O
NaOH +CO2 → NaHCO3
2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
+Phản ứng với các axít hữu cơ tạo thành muối của nó và thủy phân este:
RCOOR’ + NaOH → RCOONa + R’OH
Lưu ý: khi cho dung dịch NaOH phản ứng với SO2.
n NaOH

-Nếu n
SO

≥2

2

Sản phẩm của phản ứng là:
n NaOH

-Nếu n
SO

2 NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O

≤1

2

Sản phẩm của phản ứng là:
NaOH + SO2 → NaHSO3
n NaOH

-Nếu 1 < n
SO

<2

2

 Sản phẩm của phản ứng là:
NaOH + SO2 → NaHSO3
2 NaOH + SO2 → Na2SO3 + H2O
+ Tác dụng với dung dịch muối, tạo muối mới và bazơ mới:
2 NaOH + CuSO4 → Na2SO4 + Cu(OH)2
+ Tác dụng với một số phi kim:
NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO +H2O

6


III. Ứng dụng, điều chế.

1.Ứng dụng.
- Sản xuất xà phòng : dùng thuỷ phân chất béo trong dầu mỡ động thực
vật để làm xà phòng. Xút (NaOH) và các hợp chất Natri là những thành phần
quan trọng trong sản xuất các chất tẩy giặt .
Xà phòng được sản xuất từ quá trình phản ứng hóa học giữa dầu thực
động vật và dung dịch kiềm NaOH tại một nhiệt độ nhất định.
Phản ứng cơ bản xảy ra trong quá trình nấu xà phòng là phản ứng thủy
phân và xà phòng hóa triglyxerit của hỗn hợp các axit béo tạo thành muối Natri
hoặc Kali của chúng và glyxerin:
CH2 COOR
CH COOR
CH2

CH2 OH
3NaOH

CH OH

COOR

3RCOONa

CH2 OH

Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng như hiệu ứng
bề mặt, lượng kiềm dư và nước. Quá trình tách xà phòng bằng cách cho dung
dịch muối ăn bão hòa vào hỗn hợp phản ứng dựa trên hiện tượng phân lí của xà
RCOO- + Na+ cho thêm muối ăn

phòng. Khi hòa tan: RCOONa

nghĩa là làm tăng nồng độ Na + chuyển dịch cân bằng chuyển sang trái làm xà
phòng ít tan trong nước, do đó lớp muối tách ra khỏi xà phòng và rồi từ lớp
muối này người ta thu hồi glixerin C3H5(OH)3. Người ta cũng có thể dùng
Na2SO4 để thực hiện quá trình tách muối nhưng khi đó lượng Na 2SO4 phải dùng
nhiều hơn NaCl ( do khối lượng phân tử Na2SO4 lớn hơn NaCl ).

7


Hình: Xà phòng
Quá trình sản xuất bột giấy là quá trình xử lý các vật liệu có chứa xenlulo
bằng axit hoặc kiềm. Nguyên liệu sử dụng cho quá trình nấu bột có thể là gỗ
hoăc từ các chất có chứa xơ sợi (rơm, tre, nứa).
Mục đích chính của quá trình nấu là loại lignin và các chất hữu cơ khác, vì thế
mà sợi có thể tách ra khỏi nhau tạo thành bột giấy. Với vật liệu không phải là gỗ
chứa lignin ở hàm lượng thấp vì vậy có thể loại bằng dung dịch kiềm loãng
nhưng bột giấy bị bẩn và chất lượng kém. Còn với vật liệu gỗ chứa lignin ở hàm
lượng cao thì nguyên liệu phải được xử lý trong kiềm đặc.
- Sản xuất giấy : làm hoá chất xử lý đối với gỗ, tre ,nứa.. để sản xuất giấy theo
phương pháp Sunfat và Soda.
Quá trình sản xuất bột giấy là quá trình xử lý các vật liệu có chứa xenlulo
Quá trình sản xuất bột giấy là quá trình xử lý các vật liệu có chứa xenlulo
bằng axit hoặc kiềm. Nguyên liệu sử dụng cho quá trình nấu bột có thể là gỗ
hoăc từ các chất cóchứa xơ sợi (rơm, tre, nứa).
Mục đích chính của quá trình nấu là loại lignin và các chất hữu cơ khác, vì thế
mà sợi có thể tách ra khỏi nhau tạo thành bột giấy. Với vật liệu không phải là gỗ
chứa lignin ở hàm lượng thấp vì vậy có thể loại bằng dung dịch kiềm loãng
8

nhưng bột giấy bị bẩn và chất lượng kém. Còn với vật liệu gỗ chứa lignin ở hàm
lượng cao thì nguyên liệu phải được xử lý trong kiềm đặc.

Hình: Giấy

+ Phương pháp sunfat: với hóa chất sử dụng là NaOH và Na 2S. Hỗn hợp
NaOH và Na2S được sử dụng để tạo bột giấy; S2- có tác dụng làm tăng tốc cho
việc loại lignin, Na2SO4 được thay thế lượng kiềm đã mất trong quá trình nấu.
Na2SO4 được khử về S2- trong lò thu hồi; do đó Na2SO4 có thể coi là tác nhân tạo
nên bột gỗ, vì vậy phương pháp này có tên là Sunfat.
Phương pháp sunphat thích hợp với hầu hết các nguyên liệu, theo xu hướng
chính là đa dạng hoá nguyên liệu, đặc biệt là tận dụng các nguồn nguyên liệu
không từ rừng nhất là phế liệu nông nghiệp như bã mía, rơm, dạ... Hơn nữa,
phương pháp này đã có công nghệ thu hồi kiềm hoàn chỉnh do đó bột giấy sản
xuất theo công nghệ sunphat đang được sử dụng ở rất nhiều nơi trên thế giới.
Bột giấy sunphat khó tẩy trắng nên phải dùng nhiều clo là nguyên nhân chính
gây ô nhiễm. Đã có nhiều nghiên cứu cải tiến công nghệ sunphat như nấu
polisunfua nhằm giảm lượng nước thải độc hại và nấu bột có trị số kapa thấp để
hạn chế clo trong tẩy trắng. Một hướng khác là giảm hoặc bỏ hẳn Na 2S trong
nấu để tránh thải ra môi trường các hoá chất chứa lưu huỳnh độc hại. Đó là việc
sử dụng các chất khử anthraquinon, bohydrat, hydrazin. Phương pháp nấu kiềm
sunphat đang là phương pháp chủ yếu nhưng nó sẽ được loại bỏ dần trong tương
lai vì chính nguyên nhân
môi trường. Quy trình nấu bột theo phương pháp sunphat có thể tóm tắt
như sau
Hỗn hợp các mẩu gỗ và dịch nấu được đốt nóng trong thùng ở áp suất cao.
Hỗn hợp các mẩu gỗ và dịch nấu được đốt nóng trong thùng ở áp suất cao, nhiệt
9

độ từ 170 – 173oC trong thời gian khoảng 90 phút. Dịch nấu bao gồm NaOH,
Na2S theo tỷ lệ 5/2. Ngoài ra còn có một vài loại muối natri khác như : CO 32-,
SO42-,..Quá trình nấu có thể tiến hành gián đoạn hoặc liên tục. Quá trình nấu
gián đoạn thì dịch nấu được nấu trong thiết bị phân huỷ riêng. Với quá trình liên
tục thì mẩu gỗ và dịch nấu với tỷ lệ nhất định được đưa vào thiết bị phân huỷ và
chuyển động xuống dưới, dịch được lấy ra ở đáy. Dịch này được tách ra và quay
vòng trở lại qua thiết bị trao đổi nhiệt và được đưa vào thiết bị phản ứng.

Bột

ra khỏi dịch phân huỷ chứa xơ sợi và dịch nấu xả. Dịch lúc này có màu rất đen
gọi là dịch đen. Bột được rửa bằng nước nhiều lần với mục đích loại bỏ những
tạp chất còn còn lại trong quá trình nấu. Bột có thể đưa đi tẩy hoặc đưa qua
công đoạn xeo nếu không cần tẩy rửa.lại trong quá trình nấu.
+ Phương pháp soda là phương pháp nấu bột bằng dung dịch NaOH; trong
đó tác nhân tấn công là HO-. Quá trình nấu tiến hành trong điều kiện sau: Dung
dịch NaOH có pH= 13-14, nhiệt độ: 155 – 175 C, thời gian nấu 2 – 5 giờ. Các
phản ứng xảy ra trong quá trình nấu : Trong quá trình nấu, dưới tác dụng của
môi trường kiềm, nhiệt độ, áp suất, các mảnh gỗ nguyên liệu thấm dần hóa chất,
một loạt các quá trình hoá lý và hoá học xảy ra. a) Phản ứng của lignin
Phân huỷ liên kết ete, este, glycozit…giữa lignin và hemicellulose, đồng
thời phá huỷ liên kết hydro giữa lignin và polysaccarit. Phân huỷ các liên kết
hoá học giữa các đơn vị mắt xích của lignin như liên kết ete, một phần nhỏ liên
kết C- C…Quan trọng nhất là liên kết ete - aryl
Những phản ứng này có tác dụng chia lignin thành những cấu tử nhỏ hơn,
tăng tính ái nước của lignin (các nhóm phenol được tạo thành) để lignin dễ hoà
tan vào dịch nấu.Ngược với các phản ứng phân huỷ để phân chia lignin thành
những cấu tử nhỏ hoà tan vào dịch nấu, khi nấu trong môi trường kiềm còn xảy
ra phản ứng ngưng tụ lignin, phản ứng cản trở quá trình hòa tan lignin, phản ứng

này xảy ra mạnh ở cuối giai đoạn
- Sản xuất tơ nhân tạo :dùng phân huỷ ligin là chất có hại thường đi kèm
với cellulose trong bột gỗ.
10


- Trong CN thực phẩm : loại bỏ các axit béo trong quá trình tinh chế dầu
thực vật và động vật trước khi dùng cho sản xuất thực phẩm . Pha chế dung dịch
rửa chai lọ , thiết bị trong các nhà máy Bia . Pha chế dung dịch kiềm để xử lý
rau hoa quả trước khi chế biến hoặc đóng hộp…
- Trong CN nước : điều chỉnh độ PH và tái sinh nhựa trao đổi ion .Ngoài
ra còn được dùng để trung hoà và khử cặn trong đường ống .
- Sản xuất nhôm ( làm sạch quặng)
- Chế biến dầu mỏ : điều chỉnh độ pH cho dung dịch khoan …loại bỏ
sunphua , các hợp chất sunphua và các hợp chất axit trong tinh chế dầu mỏ.
- Trong CN dệt nhuộm : Dùng làm chất phân huỷ pectins , sáp trong quá
trình xử lý vải thô , làm tăng độ bóng và hấp thụ màu cho vải nhuộm.
Hình: Sản phẩm nhuộm

2. Điều chế
Natri tác dụng với nước
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Natrioxit với nước
2NaO + H2O → 2NaOH
Trong công nghiệp: Điện phân dung dịch NaCl
2NaCl + 2H2O

Cl2 + H2 + 2NaOH

11

B. Lí thuyết về sự điện phân
I. khái niệm
Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có
dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li .
Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học .
Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation chạy về cực
âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot), tại đó xảy ra phản ứng
trên các điện cực (sự phóng điện) .
II Sự điện phân các chất điện li
1. Điện phân nóng chảy
Tại catot xảy ra quá trình khử cation (M n+ + ne → M) còn tại anot xảy ra quá
trình oxi hóa anion (Xn- → X + ne) .
Trong thực tế, người ta thường tiến hành điện phân những hợp chất (muối, bazơ,
oxit) nóng chảy của các kim loại có tính khử mạnh như Li, Na, K, Ba, Ca, Mg,
Al
Ví dụ: Điện phân NaCl nóng chảy có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot ( – ) ← NaCl → Anot ( + )
2| Na+ + e → Na

2Cl- → Cl2 + 2e

Phương trình điện phân là: 2NaCl

dpnc

2Na + Cl2

Cần có màng ngăn không cho Cl 2 tác dụng trở lại với Na ở trạng thái nóng chảy

làm giảm hiệu suất của quá trình điện phân. Một số chất phụ gia như NaF, KCl
giúp làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hệ…

12


2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước
Trong sự điện phân dung dịch, ngoài các ion do chất điện li phân li ra còn có các
ion H+ và OH- của nước. Do đó việc xác định sản phẩm của sự điện phân phức
tạp hơn. Tùy thuộc vào tính khử và tính oxi hóa của các ion có trong bình điện
phân mà ta thu được những sản phẩm khác nhau.
Ví dụ khi điện phân dung dịch NaCl, các ion Na+, H+(H2O) chạy về catot còn các
ion Cl-, OH-(H2O) chạy về anot. Ion nào trong số chúng sẽ phóng điện ở các điện
cực.
Cơ sở để giải quyết vẫn đề này là dựa vào các giá trị thế oxi hóa – khử của các
cặp. Trong quá trình điện phân, trên catot diễn ra sự khử. Vì vậy khi có nhiều
dạng oxi hóa thì trước hết dạng oxi hóa của cặp có thế lớn hơn sẽ bị khử trước.
Ngược lại trên anot sẽ diễn ra sự oxi hóa dạng khử của cặp có thế oxi hóa – khử
nhỏ nhất trước.
a) Khả năng phóng điện của các cation ở catot
Ở catot có thể xảy ra các quá trình khử sau đây:
- Mn+ + ne → M
- 2H+(axit) + 2e → H2
- Hoặc ion hiđro của nước bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OHDạng oxi hóa của những cặp có thế càng lớn càng dễ bị khử. Theo dãy thế oxi
hóa – khử thì khả năng bị khử của các ion kim loại như sau:
- Các cation từ Zn2+ đến cuối dãy Hg2+, Cu2+, Fe3+, Ag+…dễ bị khử nhất và thứ tự
tăng dần
- Từ Al3+ đến các ion đầu dãy Na +, Ca2+, K+…không bị khử trong dung dịch
- Các ion H+ của axit dễ bị khử hơn các ion H+ của nước
b) Khả năng phóng điện của các anion ở anot: Ở anot xảy ra quá trình oxi hóa

các anion gốc axit như Cl-, S2-…hoặc ion OH- của bazơ kiềm hoặc nước
- 2Cl- → Cl2 + 2e
- 4OH- → O2 + 2H2O + 4e
- Hoặc ion OH- của nước bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
13


Dạng khử của những cặp có thế oxi hóa – khử càng nhỏ càng dễ bị oxi hóa.
Theo dãy thế oxi hóa – khử thì khả năng bị oxi hóa của các anion như sau:
- Các anion gốc axit không chứa oxi dễ bị oxi hóa nhất theo thứ tự: RCOO - <
Cl- < Br- < I- < S2-…
- Các anion gốc axit như NO3-, SO42-, PO43-, CO32-, ClO4-…không bị oxi hóa
- Riêng các ion OH- của kiềm hoặc của nước khó bị oxi hóa hơn các ion S 2-, I-,
Br-, Cl-…
- Nếu khi điện phân không dùng các anot trơ như graphit, platin (Pt) mà dùng
các kim loại như Ni, Cu, Ag…thì các kim loại này dễ bị oxi hóa hơn các anion
vì thế oxi hóa – khử của chúng thấp hơn, và do đó chúng tan vào dung dịch
(anot tan)
- Điện phân dung dịch NaCl bão hòa có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot ( – ) ← NaCl → Anot ( + )
H2O, Na+

Cl-, H2O

(H2O)

2H2O + 2e → H2 + 2OH-

2Cl- → Cl2 + 2e

Phương trình điện phân là: 2NaCl + 2H2O

mn

2NaOH + H2 + Cl2

Nếu không có màng ngăn thì: Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O nên
phương trình điện phân là: NaCl + H2O

kmn

NaClO + H2

IV Ứng dụng của điện phân
Sự điện phân có nhiều ứng dụng trong công nghiệp
1. Điều chế các kim loại
2. Điều chế một số phi kim như H2, O2, F2, Cl2
3. Điều chế một số hợp chất như NaOH, H2O2, nước Gia – ven
4. Tinh chế một số kim loại như Cu, Pb, Zn. Fe. Ag, Au…
5. Mạ điện
Điện phân với anot tan cũng được dùng trong mạ điện,
nhằm bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn và tạo vẻ đẹp cho
vật mạ. Anot là kim loại dùng để mạ (như hình vẽ là
14


vàng) còn catot là vật cần mạ (cái thìa). Lớp mạ thường rất mỏng, có độ dày từ
5.10-5 ÷ 1.10-3 cm
V.Lí thuyết về sự điện phân NaOH
Điện phân dung dịch muối ăn là phương pháp chính để sản xuất xút, clo

và bên cạnh là hiđro.
Nguyên tắc: giống như những quá trình điện phân khác, khi đặt vào dung
dịch muối ăn hai điện cực với dòng điện một chiều đi qua, tại các điện cực có
thể xảy ra các quá trình sau:
Catot
2H2O + 2e → H2 +2OH – (1)
Na+ + OH - → NaOH (2)
Anot
2Cl- -2e → Cl2 (3)
4OH- - 4e →O2 + 2H2O.

(4)

Dựa vào quá thế mà với những vật liệu sử dụng làm điện cực khác nhau ta
sẽ có những quá trình điện phân xảy ra chủ yếu theo phương trình nào như trên.
Trên anot thường quá trình điện phân diễn ra đầu tiên xảy ra theo (4) tức
là tách oxi vì quá thế nhỏ. Nhưng nếu dùng anot graphit thì quá thế của oxy trên
anot lúc này lại cao hơn nhiều so với clo, nên chủ yếu xảy ra quá trình phóng
điện của ion Cl- theo (3). Đó là một trong những nguyên nhân khi điện phân
người ta sử dụng những dung dịch clorua natri đậm đặc chứa 310-315 g/l.
Trên catot cả catot thường và catot thép đều cho quá trình xảy ra chủ yếu
theo (1), vì quá thế của natri rất lớn so với quá thế của hiđro nên chúng không có
khả năng phóng điện. Nhưng nếu sử dụng catot thủy ngân lúc này quá thế của
hiđro khá lớn so với quá thế của natri nên tại đây chủ yếu xảy ra theo (2).

15


Chương II. THỰC TRẠNG SẢN XUẤT CỦA NAOH
I. Trên thế giới

Xút (NaOH) là một trong những sản phẩm quan trọng nhất của ngành công
nghiệp hóa chất (CNHC). Đây cũng là sản phẩm hóa chất thông dụng duy nhất
mà giá bán có mức dao động lớn, từ 30 đến 500 USD/tấn.Toàn thế giới hiện có
khoảng 500 công ty sản xuất xút – clo( sản xuất được NaOH kèm theo sản phẩm
là Clo) lớn với 45 triệu tấn xút năm. Một phần ba tổng sản lượng xút toàn cầu
được sản xuất tại Mỹ với giá cả rất cạnh tranh. Hơn 95% sản lượng xút - clo của
thế giới được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch muối ăn với ba
công nghệ chính: điện cực thủy ngân, điện phân màng ngăn và màng trao đổi
ion. Ở châu Âu, hiện nay khoảng 54% tổng công suất xút - clo là theo công nghệ
điện cực thủy ngân, 22% theo công nghệ điện phân màng ngăn và 22% theo
công nghệ điện phân màng trao đổi ion. Nhưng trước áp lực của các quy định
nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường, Hiệp hội các nhà sản xuất xút - clo châu Âu
đã cam kết đến năm 2025 sẽ đóng cửa hoặc chuyển đổi toàn bộ các nhà máy xútclo theo công nghệ điện cực thủy ngân sang công nghệ màng trao đổi ion. Hiện
nay, hầu như tất cả những nhà máy xút - clo mới xây dựng trên thế giới đều áp
dụng công nghệ màng trao đổi ion, vì đây là công nghệ có mức tiêu hao nhiên
liệu thấp nhất, giá thành sản phẩm thấp và không ảnh hưởng đến môi trường.

16


Hình 2. Sản lượng sản xuất xút toàn thế giới năm 2002
II. Tình hình sản xuất ở Việt Nam
Hiện nay cả nước ta có 5 cơ sở sản xuất xút lớn và một số cơ sở sản xuất nhỏ
khác với tổng năng lực sản xuất khoảng 100.000 tấn/năm. Cụ thể như sau:
- Nhà máy Hóa chất Việt Trì (hiện là Công ty Hóa chất Việt Trì) xây dựng từ
đầu những năm 60, với công suất ban đầu 1990 tấn xút lỏng 31%/năm (tính theo
100% NaOH), 1020 tấn HCl 31%/ năm và 145 tấn clo lỏng/năm để cung cấp cho
nhà máy giấy tại khu công nghiệp Việt Trì. Hiện nhà máy có năng lực sản xuất
6500 tấn NaOH/năm. Sản lượng thực tế đạt khoảng 6000 tấn/năm. Công ty đã có
17

dự án mở rộng công suất lên 10.000 tấn NaOH/năm, dự kiến sẽ hoàn thành trong
năm 2003.
- Nhà máy Hóa chất Biên Hoà (hiện trực thuộc Công ty Hóa chất cơ bản miền
Nam) được xây dựng với mục đích ban đầu là cung cấp xút và clo cho khu công
nghiệp Biên Hoà.. Hiện nhà máy có năng lực sản xuất 15.000 tấn xút /năm, sản
lượng thực tế đạt 11000-12000 tấn/năm.
- Xưởng sản xuất xút của Công ty Giấy Đồng Nai: Xút được sản xuất chủ yếu để
dùng cho sản xuất giấy. Công suất của xưởng đạt 5.000 tấn/năm
- Xưởng xút-clo của Công ty Bột ngọt Vedan: Xưởng xút - clo của Nhà máy Bột
ngọt Vedan được xây dựng vào thời kỳ 1991-1995 có công suất 20.000 tấn/năm
với nhiệm vụ cung cấp axit HCl cho dây chuyền sản xuất bột ngọt của nhà máy.
Xưởng xút đã được mở rộng lên công suất 60.000 tấn/năm cân đối theo lượng
axit HCl tiêu thụ tại nhà máy.
- Nhà máy xút-clo của Công ty Giấy Bãi Bằng có công suất 7.000 tấn xút/năm
chủ yếu phục vụ cho việc nấu bột giấy và dùng clo để tẩy trắng bột giấy.
- Các xưởng xút-clo của các xí nghiệp sản xuất bột ngọt Biên Hoà, Tân Bình và
Thiên Hương có tổng năng lực sản xuất khoảng 3000 tấn xút/năm.
Nhìn chung, tổng công suất sản xuất xút của nước ta còn nhỏ, lại phân tán ở
nhiều cơ sở. Do chưa có phương án cân bằng clo về dài hạn nên các cơ sở
thường phải sản xuất dưới mức công suất thiết kế, tỷ lệ sử dụng công suất nhiều
khi chỉ đạt 55 - 65%, sản phẩm kém tính cạnh tranh và không đáp ứng nhu cầu
trong nước. Trong 10 - 15 năm tới, vấn đề cân bằng clo vẫn sẽ là một thách thức
rất lớn cho sản xuất xút ở nước ta. Chỉ khi công nghiệp hóa dầu ở nước ta được
xây dựng và phát triển thì mới có thể giải quyết về căn bản vấn đề cân bằng clo
và nâng công suất sản xuất xút trong nước. Mặt khác, trong tương lai xa, khi
công nghiệp hóa dầu phát triển thì nhu cầu về clo sẽ tăng vọt, đòi hỏi các nhà
máy xút clo cũng phải nâng công suất xút một cách tương xứng.

18


Chương III. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NAOH TRONG
CÔNG NGHIỆP
I.Nguyên liệu.
Nguyên liệu sản xuất : NaCl
Ưu điểm:
NaCL rẻ tiền, sẵn có trong tự nhiên và thêm sản phẩm là H2 và Cl2
Tinh chế NaCl:
Nguyên liệu để sản xuất kiềm (NaOH) và clo là dung dịch muối ăn (NaCl)
được nhận bằng cách hòa tan muối rắn hoạc dùng nước muối tự nhiên. Dung
dịch muối ăn dù được điều chế bằng phương pháp nào cũng đều chứa tạp chất
muối canxi và magie khó hòa tan và chúng sẽ phá vỡ chế độ làm việc của bể
điện phân.
NaCl khai thác và làm lạnh dung dịch muối. Nước muối được nhận bằng
phương pháp hoà tách các vỉa đến nồng độ 305 – 310g/l.
Để làm sạch khỏi các cation Ca 2+ và Mg2+ có thể kết tủa tạp chất bằng
những tác nhân kết tủa.
Những tác nhân đó là : huyền phù sô đa trong nước muối sạch và sữa vôi.
Mg2+ + Ca(OH)2
Ca+

+

Na2CO3

Ca2+

+ Mg(OH)2

2Na+ +

CaCO3

Kết tủa Mg(OH)2 và kết tủa CaCO3 được tách trong các thiết bị để lắng.
Sau khi đã làm sạch hóa học dùng phương pháp lắng và lọc để làm sạch khỏi
các tạp chất cơ học.
II. Phương pháp sản xuất
1. Trước kia
Trước kia, người ta điều chế NaOH bằng cách cho canxi hiđroxit tác dụng với
dung dịch natri cacbonat loãng và nóng:
Ca(OH)2 + Na2CO3 = 2NaOH + CaCO3

19


1

tấn

NaOH

→

6
m CaCO3 = 10 .100
40.2

=

1250

(kg)

Phương pháp này cho phép chuyển xút ( sođa ) thành kiềm ăn da nên NaOH
được gọi là xút ăn da.
- Ưu điểm : dễ tiến hành
- Nhược điểm: phương pháp này tốn nhiều Ca(OH) 2 , sản phẩm thừa
CaCO3 và cứ điều chế một tấn xút bỏ đi 1000-1300 Kg CaCO 3 , thu được
xút loãng 120(g/l).
Phương pháp Ferit: có hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: Na2CO3 + Fe2O3 → Na2O.Fe2O3 + CO2
Giai đoạn 2: Na2O.Fe2O3 +H2O → NaOH + Fe2O3
Ưu điểm: không có sản phẩm thừa, xút đặc 370 (g/l) sau đó cô đặc tạo xut
rắn, Fe2O3 thu hồi đem sử dụng lại.
Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại là điện phân dung dịch NaCl bão
hòa:
2NaCl + 2H2O → Cl2 + H2 + 2NaOH
1 tấn Cl2 → m NaOH =

1
.2.40=1,1 ( tấn )
71

Hai sản phẩm thu được đồng thời với NaOH là khí Cl 2 và H2 : cứ 1 tấn Cl2
có 1,1 tấn NaOH và 28 kg H2.
2. Hiện nay.
Quá trình điện phân được thực hiện theo 3 công nghệ khác nhau.
2.1 Phương pháp điện phân có màng ngăn

a, Cấu tạo thùng điện phân

20


Hình: Sơ đồ thùng điện phân có màng ngăn
Trước kia cực dương của thùng điện phân được làm bằng than chì nay được
thay bằng kim loại titan phía ngoài phủ lớp oxit của những kim loại ruteni,
titan, và coban (cực mới này có tuổi thọ dài hơn) và cực âm làm bằng thép mạ
niken.
Anot cần có độ bền cơ học, bền hoá học trong môi trường axit và độ dẫn điện
lớn.
Catot: Vật liệu làm catot phải có quá thế hiđro thấp có độ dẫn điện cao , độ bền
cơ
hoá cao, dễ gia công. Thép được sử dụng để thoả mãn các yêu cầu trên.
-

Màng ngăn: Thường là lưới bằng sắt phủ amiăng tẩm nhựa hữu cơ chứa

flo.
Màng cho phép dung dịch thấm qua nhưng ngăn không cho các bọt khí đi
qua để tránh phản ứng nổ giữa H 2 và Cl2. Chất điện li là dung dịch chứa 300
- 310 g/l NaCl và thế hiệu của dòng điện là 3,5V.
b. Các quá trình xảy ra khi điện phân dung dịch NaCl.
21


Khi dòng điện một chiều đi qua thùng điện phân các anion chủ yếu là OH - , Cl- ,
chạy về anot, còn các cation, chủ yếu là H+ và Na+ chạy về catot để phóng điện.
- Những ion nào có thế phóng điện thấp hơn thì phóng điện trước.

- Trên catot điện thế phóng điện của Na+ lớn hơn của H+ nhiều; do đó, chỉ có ion
H+ phóng điện theo phản ứng điện cực.
H+ + 2e = H2
- Catot dư Na+ và OH- trở thành dung dịch xút. Trên anot graphit, mặc dù OH có thế thuận nghịch thấp hơn Cl- , nhưng quá thế của oxi cao làm cho thế phóng
điện của Cl- trở nên thấp hơn của OH- chút ít, do đó, Cl- phóng điện
2Cl- - 2e = Cl2
Thế hiệu tối thiểu của dòng điện một chiều cần đặt vào các điện cực trơ
để gây nên sự điện phân của một chất gọi là thế hiệu phân giải (U)
Quá thế là khi điện phân dung dịch muối của các ion người ta phải dùng dòng
điện một chiều có thế hiệu cao hơn( ∆E ). Hiện tượng quá thế có bản chất rất
phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố lien quan với đặc tính động học như vật
liệu được dùng để làm điện cực, bề nặt của điện cực, trạng thái tập hợp của các
chất thoát ra ở điện cực, với mật độ dòng điện và với nhiệt độ. Khi ở điện cực
thoát ra kim loại đại lượng quá thế thường rất bé có thể bỏ qua trừ những trường
hợp như Fe ( ∆E = 0,24 V ) và Ni ( ∆E = 0,23 V ). Khi ở điện cực thoát ra khí H 2
và O2, đại lượng quá thế là đáng kể không thể bỏ qua được.
Như vậy thế phân giải của các chất điện li ở trong dung dịch được xác định bằng
U = E oa - E oc + ∆Ea + ∆EC
Trong đó:
U: Thế phân giải
E oa : là thế chuân của cực dương
E oc : là thế chuẩn của cực âm

∆Ea: quá thế của anion ở cực dương
∆EC: quá thế của cation ở cực âm
22


Về lí thuyết , khi điện phân ở cực dương có thể xảy ra các quá trình oxi hóa sau:
(+) 2Cl- - 2e = Cl2 với =1,36V

3H2O – 2e = O2 + 2H3O+ với = 1,23V và quá thế của oxi trên điện cực titan là
1,5V
ở cực âm có thể xảy ra những quá trình khử sau :
(-) Na+ + e =Na với = -2,7V
2H2O + 2e = H2 + 2OH- với = -0,82 V và quá thế của hiđro trên điện cực thép
là 0,2V.
Dựa vào công thức tính thế phân giải chất điện li:
U = E oa - E oc + ∆Ea + ∆EC
Ta thấy những quá trình sau xảy ra ở điện cực:
2Cl- -2e = Cl2 với = 1,36V
2H2O + 2e = H2 + 2OH- với = -0,82V và ∆EC= 0,2V
Nghĩa là phản ứng chung :
2Cl- + 2H2O → Cl2 + H2 + 2OHĐòi hỏi thế phân giải thấp nhất :
U = 1,36 – (-0,82) + 0,2 = 2,38V
c, Sản phẩm.
Sản phẩm thu được: NaOH, H2 và Cl2
d, Tinh chế sản sản Phẩm.
Dung dịch sản phẩm thu được chứa 140 g/l NaOH và 160g/l NaCl. Đem cô cạn
dung dịch , NaCl tách ra được đem dùng lại, và được dung dịch 50% NaOH có
lẫn 1% NaCl. Khí Clo được làm khô, nén và hóa lỏng ; khí hidro được rửa và
nén.
Ngoài ra, trong quá trình điện phân còn xảy ra các quá trình phụ:
* Trên Catot chỉ có H2 thoát ra, không có phản ứng phụ
* Trên anot có phản ứng phụ ở điện cực và oxy thoát ra
2OH- - 2e → H2O +

1
O2
2
23

- Cl2 tạo ra trên anot bị thuỷ phân theo phản ứng:
Cl2 + H2O → HClO + HCl
Axit hypoclorit (HClO) tạo thành, chịu hai quá trình phân ly có chung một sản
phẩm
là ClOHClO → H+ + ClOHClO + OH- → ClO- + H2O
-

Điện thế phóng điện của ClO- trên anốt thấp hơn của Cl - rất nhiều, nên dễ

dàng
phóng điện tạo thành ClO3- theo phản ứng:
6ClO- + 6OH- - 6e → 2ClO3- + 4Cl- + 3O + 3H2O
Oxi tạo thành ăn mòn anot : C +

1
O2 → CO
2

2CO + O2 → 2CO2
Axít hypoclorit có trong dung dịch còn tác dụng với xút trong catot tạo thành
nhiều sản phẩm.
HClO + NaOH → NaClO + H2O
NaCl + 2HClO → NaClO2 + 2HCl
2NaClO → NaClO2 + NaCl
Trong trường hợp không có màng ngăn, xút ở catotit sẽ t/dụng với axit của
anolit theo
phản ứng:
HClO3 + 2HCl + 3NaOH → NaClO3 + 2NaCl + 3H2O

Qua các phản ứng ở trên ta thấy nguồn gốc của các phản ứng phụ xảy ra
trong anot là do ion OH- từ không gian catot sang. Do đó, để hạn chế các phản
ứng phụ, cần phải dùng màng ngăn không cho các sản phẩm catot, chủ yếu là
OH- , trộn lẫn với anot. Vì vậy dung dịch muối ăn phải liên tục chảy từ anot sang
catot. Ngoài ra, màng ngăn còn có tác dụng giữ cho H 2 và Cl2 không tác dụng
được với nhau tạo thành một hỗn hợp nổ.
24


Điều kiện điện phân:
- Mặc dù đã dùng màng ngăn, vẫn không ngăn được các phản ứng phụ, đặc biệt,
khi
mức độ phân huỷ muối ăn để tạo thành xút vượt quá 50% thì hiệu suất phản ứng
điện phân giảm xuống nhanh. Do đó trong thực tế, người ta chỉ duy trì độ phân
huỷ muối ăn khoảng 45-55%. Muối không bị phân huỷ sẽ theo dung dịch xút ra
ngoài thùng điện phân.
- Nồng độ muối ăn trong dung dịch vào khoảng 310-315g/l.
- Nhiệt độ điện phân tương đối cao, khoảng 85-97 OC tác dụng hạn chế các quá
trình
phụ giống như dung dịch muối đậm đặc. Ngoài ra, nhiệt độ và nồng độ dung
dịch
muối càng cao thì quá thế phóng điện của các ion và điện trở của dung dịch càng
giảm.
e)Ưu điểm và nhược điểm.
• Ưu điểm: Phương pháp này cho phép nhận được kiềm (NaOH), clo và
hidro trong cùng một thiết bị.
• Nhược điểm: Công nghệ điện phân dung dịch NaCl với màng ngăn tiêu
thụ nhiều điện năng và cho sản phẩm kém tinh khiết.
Các nhà máy ở Việt Nam sử dụng phương pháp điện phân có màng ngăn:
Nhà máy Hóa chất Biên Hoà (hiện trực thuộc Công ty Hóa chất cơ bản miền

Nam) được xây dựng với mục đích ban đầu là cung cấp xút và clo cho khu công
nghiệp Biên Hoà. Hiện nhà máy có năng lực sản xuất 15.000 tấn xút /năm, sản
lượng thực tế đạt 11000-12000 tấn/năm.

25