ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH NƯỚC KHÔNG THOÁT KIM LOẠI

CHƯƠNG 3. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH NƯỚC KHÔNG THOÁT KIM LOẠI

VÔ CƠ
(NaOH, Cl2, H2, MnO2…)
TỔNG HỢP
HỮU CƠ
(Adiponitril…)

1


3.1. TỔNG HỢP CÁC HỢP CHẤT VÔ CƠ
3.1.1. Sản xuất NaOH, Cl2 và H2
CHLORINE (Cl2)
- Xử lý nước cấp.
- Tổng hợp HCl, các hợp chất hữu cơ chứa clo (vật liệu polyme, dung môi, thuốc trừ sâu).
+ Vật liệu polyme: Cao su tổng hợp (Neopren…), nhựa PVC (polyvinyl clorua).
+ Dung môi: Chloroform
+ Thuốc trừ sâu: DDT, Clodan.

2


XÚT (NaOH): Dùng làm nguyên liệu chủ yếu trong các ngành công nghiệp sản xuất giấy, bột giấy, chất
tẩy rửa, sợi tổng hợp, dệt nhuộm …, trong thực phẩm (dầu ăn, đường, tinh bột, bột ngọt).

Hiện nay tại Việt Nam các công ty tham gia lĩnh vực sản xuất xút-clo:
1. CTCP Hóa chất Việt Trì (Phú Thọ): công suất hiện tại 30 000 tấn/năm.
2. CTCP Hóa chất cơ bản miền Nam, Nhà máy hóa chất Biên Hòa: 40 000 tấn/năm.
3. CT Vedan: 80 000 tấn/năm.

3


Các phương pháp điện phân sản xuất xút-clo:
- Phương pháp màng ngăn.
- Phương pháp cathode thủy ngân.
- Phương pháp màng trao đổi ion.

Sản phẩm: NaOH, Cl2,
Dung dịch nước
muối NaCl

H2
Bình
điện phân
Dung dịch NaCl
đầu ra

4


PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN MÀNG NGĂN
Bình điện phân màng ngăn dung dịch nước muối đơn giản

1- Màng amiang xốp.
2- Cathode.
3- Vùng cathode (catholit).
4- Anode.
5- Vùng anode (anolit).

5


NaCl, H2O
+
NaCl = Na + Cl
+
H2O ↔ H + OH
Cathode (-)
+
Na , H2O

Anode (+)
Cl , H2O

2H2O + 2e = H2 + 2OHo
E = -0.83V

2Cl - 2e = Cl2
o
E = +1.36V

+
2H + 2e = H2
o
E = 0V

2H2O – 4e = O2 + 4H+
o
E = +1.23V

4OH - 4e = O2 + 2H2O
o
E = +0.40V

2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Cl2 + H2
6


MÀNG NGĂN
100 % amiang.
75% amiang và 25% sợi polyme florocacbon.

CATHODE
Để quá trình thoát hydrogen trên điện cực có quá thế nhỏ, thường sử dụng vật liệu là Ni, thép mạ
Ni và các chất xúc tác thường gặp là họ Pt (Platinium), Pd (Paladium), Rh (Rhodium), Ru
(Ruthenium).

7


ANODE
Trước đây

Điện cực than
Quá thế thoát chlorine: ∼500 mV.
Độ hao mòn: 3.5-6.0 kg/tấn chlorine.
C + O2 = CO2

Hiện nay

Ti được phủ hỗn hợp oxit: RuO2; TiO2 (ORTA)
Quá thế thoát chlorine: ∼100 mV.
Độ hao mòn: 0.1 g/tấn chlorine.
Hạn sử dụng: 4-6 năm.

Bịt kín màng ngăn.
Hạn sử dụng: 12-14 tháng.

8


Hiệu suất dòng anode giảm do: các phản ứng phụ xảy ra tại các điện cực và bên trong dung dịch điện
phân.
Khí Cl2 hòa tan một phần vào anolit:

Cl2 + H2O  HCl + HClO

Dung dịch anolit di chuyển vào không gian cathode thì các axit bị trung hòa bởi NaOH, vì vậy cả Cl 2
và NaOH bị thất thoát.

Cl2 + NaOH = NaCl + NaClO + H2O

pH của anolit càng lớn thì nồng độ của HCl và HClO càng nhiều → axit hóa nước muối đầu vào.

9


Để đạt được các chỉ tiêu kinh tế và công nghệ tốt cần thực hiện các điều kiệu sau:

 Giữ nồng độ NaCl cao nhất (gần bão hòa).

 Giữ nhiệt độ quá trình cao (90oC).
 Sử dụng cathode và anode từ vật liệu đảm bảo quá thế thoát hydrogen và clo thấp, mà
lớn cho oxi.

 Dd muối càng sạch càng tốt (loại bỏ tạp chất Na2SO4, Mg2+, Ca2+).
 Giữ pH dd thấp (3-3.5).

10


Nước muối hồi lưu

Nước muối thô

Muối, H2O

Hòa tan muối

Tinh chế nước muối
Nước muối sạch
Clo ẩm
H2SO4

Điện phân

Hydro ẩm
Làm bay hơi dd
Làm lạnh

Làm lạnh

và nén clo

và nén hydro

sau điện phân

Dd NaOH
42-50%
Clo

Tinh thể NaCl,
Na2SO4
H2SO4
đã sử dụng

Tách Na2SO4
và hòa tan NaCl
11


PHƯƠNG PHÁP CATHODE THỦY NGÂN

Điện phân dung dịch NaCl với cathode thủy ngân

12


(-) Catot: Hg (dày vài mm)

(+) Anot: than chì hoặc ORTA (Ti được phủ bởi
hỗn hợp oxit RuO2 và TiO2)

+
Na + mHg + e = NaHgm

2Cl - 2e = Cl2

(0.3-0.5% Na)

Tại bình phân giải:
NaHgm + H2O = NaOH + H2 + mHg

NaCl + H2O = NaOH + H2 + Cl2

13


Xử lý nước muối dòng ra

Chlorine hòa tan
Hút chân không: 0.6 giảm xuống 0.1-0.14 kg/m

3

Thổi bằng không khí: nồng độ giảm xuống 0.01-0.02 kg/m

3

3Ion Hg và ClO , ClO

Các chất khử như Na2S hoặc H2S, C, H2O2.
4NaClO + Na2S = Na2SO4 + 4NaCl
HgCl2 + Na2S = HgS + 2NaCl

14


- Các dạng tồn tại của Hg: hơi, lỏng, muối của Hg.
3 o
- Sự phụ thuộc sự bay hơi thủy ngân vào nhiệt độ như sau (mg/m ): 0 C: 2.3,
o
20 C: 14.3,
o
40 C: 67,
o
60 C: 260.
3
- Nồng độ cho phép Hg tại nơi làm việc là 0.01 mg/m .
→ Khi làm việc với thủy ngân cần phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc an toàn lao động.

15


PHƯƠNG PHÁP MÀNG TRAO ĐỔI ION

Anode:

Cathode:

2Cl - 2e = Cl2

−
2H2O + 2e = 2OH + H2

+
Màng trao đổi cation chỉ cho phép các ion Na di chuyển qua vùng cathode.
16


CẤU TẠO MÀNG TRAO ĐỔI CATION

1.
2.
3.
4.
5.

Sợi Tylon.
Lớp Cacboxylic (-COO ).
Lớp Hydrophilic.
Lớp Cacboxylat.
Lớp Sunfonic (-SO3 ).

Tiếp xúc với anolit
(môi trường axit)
Tiếp xúc với catolit
(môi trường kiềm)

17

18


Ưu điểm:
- Tổng tiêu hao năng lượng thấp nhất trong ba công nghệ điện phân.
- Sản xuất xút có độ tính khiết và nồng độ cao.
- Không có tác động đáng kể đối với môi trường.
Nhược điểm:

-

Đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu tương đối cao, đặc biệt giá màng trao đổi ion khá cao.

-

Đòi hỏi phải xử lý nước muối rất tốt để đạt độ tinh khiết cao trước khi đưa vào điện phân.

19


SO SÁNH 3 CÔNG NGHỆ
Tiêu chí

Điện phân màng ngăn

Điện phân với catot thủy ngân

Điện phân với màng trao đổi
ion

Chất lượng xút

Nồng độ xút

Sạch bậc kỹ thuật

Sạch tinh khiết bậc Rayon

Sạch tinh khiết bậc Rayon

NaCl : 1.0%

-NaCl < 10 ppm

- NaCl < 30 ppm

- NaClO3: 0.15%

-NaClO3: 0.5 ppm

-NaClO3: 3 ppm

-  Na2CO3: 0.1%

-  Na2CO3: 0,02%

-  Na2CO3: 0,03%

- Na2SO4 : 0.01%

- Na2SO4 : 10 ppm

- Na2SO4 : 15 ppm

12-14%

50-52%

33-35%

3600

3360

Tổng nhu cầu NL, kWh/tấn 5000
NaOH

Môi trường và an toàn lao Ảnh hưởng đến môi trường do Tác động xấu đến môi trường Ít ảnh hưởng đến môi trường.
động

sử dụng amiang

do phát thải Hg

20


XỬ LÝ NƯỚC MUỐI SƠ CẤP
Nước bổ sung

Muối nguyên liệu
Dd NaCl 20 – 22%

Hòa tan
Dd BaCl2 10-12 %
Tách SO4
Dd Na2CO3
Tách Mg

2-

Dd NaOH 32%
2+

và Ca

2+

Chất trợ lắng
Bồn lắng kết tủa

Dd NaCl 30 – 32%

Xử lý thứ
cấp

21


XỬ LÝ NƯỚC MUỐI THỨ CẤP

Dd NaCl 30-32%

HCl 32%

Lọc

Cặn bùn

Na2SO3 10%

Khử clo tự do điều chỉnh pH (10÷11)

Gia nhiệt 60÷70ºC

Trao đổi ion

Hiệu chỉnh nhiệt độ
HCl 32%
Điều chỉnh pH (2÷5)

Dd NaCl 30 – 32%

Qua điện giải

22


TIÊU CHUẨN NƯỚC MUỐI CẤP ĐIỆN GIẢI

Nước muối cấp điện giải

NaCl

295 - 310

g/l

NaClO₃

< 15

g/l

Na₂SO₄

6,5-8

g/l

pH

2 - 11

 

Ca+Mg

< 30

ppb

SiO₂

<5

ppb

Al

< 100

ppb

I

< 200

ppb

Mn

< 100

ppb

Ni

< 50

ppb

Fe

<1

ppb

23


BÀI TẬP
Từ bể điện phân clo màng ngăn, phụ tải điện I = 22 kA, sau 24h điện phân thu được V =
5450l dung dịch xút chứa 138 g/l.
Tính hiệu suất dòng điện đối với NaOH.

24


Bể điện phân có màng ngăn điều chế clo phụ tải điện 20 kA làm việc với hiệu suất dòng điện theo H 2
là 99%, theo Cl2 và NaOH là 95%. Dung dịch kiềm lấy ra từ bể có nồng độ 140 g/l.
Năng suất mỗi giờ của bể theo H2 và Cl2 (thể hiện theo trọng lượng) là bao nhiêu và theo NaOH là
bao nhiêu? Thế tích dung dịch kiềm ra khỏi bể trong 1h là bao nhiêu? Viết các phản ứng chính của
quá trình điện hóa xảy ra trong bể.

25