Hóa công nghệ - Chương IV: Điện phân dung dịch natriclorua

TR Ư ỜNG Đ ẠI HỌC HỒNG Đ ỨC 
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN 
HÓA CÔNG NGHỆ 
TH.S NGÔ XUÂN L ƯƠ NG 
Thanh Hóa, n ă m 2008 
PHẦN GIỚI THIỆU: 
HOÁ CÔNG NGHỆ BAO GỒM: 
+ Hoá công nghệ I: 45t (Hoá công nghệ và môi ttrường) 
+ Hoá công nghệ II: 45t (Hoá nông nghiệp) 
Tài liệu tham khảo 
1, Trần Thị Bích. Phùng Tiến Đạt. Hoá học công nghệ và môi ttrường. NXB giáo dục 1999. 
2, Phùng Tiến Đạt. Trần Thị Bích Kỹ thuật hoá học. NXb giáo dục 1996. 
3, Trần Thị Bích, Phùng Tiến Đạt. Hoá kỹ thuật đại cương T1. Nhà xuất bản giáo dục. 
HÓA CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TR Ư ỜNG 
PHẦN I: 
CH ƯƠ NG IV. 
ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH NATRICLORUA 
I. NHẬN XÉT CHUNG 
- Điện phân dung dịch NaCl để đ/c 2 hoá chất cơ bản NaOH, Cl 2 . 
Cl 2 đ/c dd HCL hợp chất chứa clo, PVC tơ Clorua, dung môi clo rofooc CHCl 3 , C 6 H 6 Cl 6 , thuốc tẩy (nước clo, nước gia ven). 
NaOH sản xuất xà phòng, CN giấy, sợi nhân tạo 
- Các pp điện phân: 
+ PP catốt vắn :	- Ca tốt làm bằng Fe 
(pp màng)	- Anốt than chì, ti tan 
+ pp lỏng:	- Ca tốt – Hg 
	- Anốt than chì 
+ pp màng trao đổi ion, pp tiên tiến nhất để sản xuất NaOH, Cl 2 có chất lượng cao. 
VN: Điện phân dd NaCL với ca tốt vắn, anốt bằng Ti (thay cho than chì) ở nhà máy hoá chất Việt Trì và Giấy bãi bằng sản xuất tăng chi phí sản xuất giảm. 
Pp điện phân với ca tốt lỏng đầu tiên được sử dụng ở xí nghiệp Thiên Hương thu được C cao. 
- Nguyên liệu là muối ăn (NaCl) 
- Các giai đoạn điện phân 
+ Hoà tan muối ăn 
+ Tinh chế dd muối 
+ Điện phân dd, NaCl 
+ Chế biến thành phẩm: Làm khô khí H 2 , Cl 2 và cô đặc dd NaCl 
II. HOÀ TAN MUỐI 
Mục đích: Thu được dd NaCl bảo hoà (Cmax) hàm lượng NaCl 310g/lít 
Thực hiện: Hoà tan muối = H 2 O và dùng hơi H 2 O nóng súc qua bể hoà tan để cung cấp nhiệt cho quá trình hoà tan và khuấy trộn tăng V hoà tan. 
III. TINH CHẾ DD MUỐI 
Muối khai thác từ nước biển, hồ hoặc mỏ muối dd muối có nhiều tạp chất. 
+ Cặn bã cơ học: rơm, rác, đá sỏi 
tách bằng cách lắng, lọc, li tâm 
+ Các ion: Mg 2+ , Ca 2+ , SO 4 2- có ảnh hưởng tới quá trình điện phân SO 4 2- ăn mòn anốt grafit, Ca 2+ , Mg 2+ kết hợp với ion OH - (tạo ra trong quá trình điện phân) giảm Hiđroxit bịt kín màng ngăn Ion không c/đ được -> H giảm 
Nguyên tắc: Chuyển Mg 2+ , Ca 2+ , SO 4 2- vào thành phần chất giảm = dd kiềm hoặc BaCl 2 , Na 2 CO 3 . 
a. Phương pháp xô đa – kiềm 
Dùng Na 2 CO 3 – NaOH (xođa – kiềm) và BaCl 2 để giảm các tạp chất 
Thường dùng Na 2 CO 3 + NaOH dư để giảm hoàn toàn sau đó trung hoà = dd HCl. Khi tinh chế tiến hành ở nhiệt độ cao để CaCO 3 giảm tinh thể lớn, độ hoà tan giảm dễ dàng cho quá trình lọc. 
b. Phương pháp sửa vôi – xô đa 
a/d khi hàng lượng Mg 2+ nhiều . Kết tủa tạp chất = HH vôi sữa – xo đa. Phản ứng. 
Các kết tủa được lắng lọc cùng với các tạp chất cơ học khác -> dd NaCl trong, trung hoà kiềm dư = dd HCl. 
ở Việt Nam yêu cầu dd muối sau tinh thế đạt NaCl : 
IV. ĐIỆN PHÂN DD NaCl 
1. PP catốt rắn, có màng ngăn 
a. Các quá trình điện cực 
Khi chưa có dòng điện trong dd có 
Vấn đề là ion nào phóng điện trước ở các điện cực ? 
a1. Sự phóng điện ở anốt 
dd trung tính (PH = 7, H2O) E o2/2OH - = +0,83V, E o2/2Cl = +1,33V. OH - phóng điện. 
Trước Cl - , sản phẩm thu được là O 2 chư không phải Cl 2 . Vậy để thu được Cl 2 chọn điện cực có quá thế đối với Clo nhỏ và O 2 lớn và bền trong môi trường Cl 2 . Như vậy người ta chọn điện cực là Ti hoặc Grafit (than chì) hoặc Pt. Nhưng giá Pt đắt không sử dụng. 
Hiện nay sử dụng Ti hoặc Ti phủ Pt. 
+ Đối với a nốt là than chì thì 
Mặt khác với môi trường điện phân thì Grafit bền nhưng không bền bằng Pt hoặc Ti mà Pt, song rẻ tiền hơn. Vật với anốt bằng than chì thì 	2Cl - - 2e Cl 2 . 
a2. Sự phóng điện ở catốt rắn 
= -0,41 – 0,76 = -1,17 
V > 229 thì H + vẫn phóng điện trước 
Muốn cho Na + phóng điện phải dùng điện cực có quá thế với với H 2 rất lớn (điện cực thuỷ ngân) 
b. Các phản ứng phụ 
+ Ca tốt chỉ có H 2 thoát ra và tạo ra NaOH trong dd với H= 100% không có phản ứng phụ. 
Vậy tăng nồng độ NaCl (Cl - ) và tăng nhiệt độ độ hoà tan Cl 2 giảm, hạn chế 2 phản ứng trên dùng dd NaCl bão hoà. 
- OH - ở ca tốt do khuyếch tán hoặc điện li c/đ về a nốt : 
 Cl 2 + 2OH -  ClO - + Cl - + H 2 O 
Hoặc ở nhiệt độ cao Cl 2 + OH -  ClO 3 - + Cl - + H 2 O 
Vậy để tránh sự khuếch tán mất sp và trộn lẫn sp điện phân có màng ngăn giữa ca tốt và anốt ( chống sự khuyếch tán OH- từ ca tốt sang a nốt) 
Để ngăn ngừa khả năng điện di của OH - (OH - vận chuyển về anốt) người ta phải điện phân với dd chuyển động lực từ a nốt đến ca tốt luôn luôn cho dd NaCl vào bình điện phân. 
E. SƠ ĐỒ THÙNG ĐIỆN PHÂN VÀ DÂY CHUYỂN SẢN XUẤT XUT – CLO THEO PHƯƠNG PHÁP CA TỐT RẮN 
+ a nốt: Bền trong môi trường a xít, bền cơ học cao, dẫn điện tốt, có QT với Cl 2 nhỏ và O 2 lớn, rẻ tiền dễ gia công a nốt grafit. Nhưng bị ăm mòn hoá học và cơ học chảy ra từng phần, còn một số bị vôi rụng thành các mẫu nhỏ. ăn mòn hh do 
4OH - - 2e O 2 + 4H + 
	 O2 + C CO 2 
Theo (t) a nốt bị tan ra ăn mòn cơ học là chủ yếu hàng năm phải bổ sung than chì vào a nốt. 
+ A nốt Ti mạ Pt cho phép giảm điện thế điện phân giảm E. 
Màng năng: Độ bền cơ học cao (yêu cầu cơ bản) dẫn điện lớn và rẻ tiền. Màng được chuẩn bị từ vật liệu không dẫn điện, và dòng điện qua màng sau khi các lỗ đã lấp đầy dd. 
Màng sử dụng đầu tiên là amiăng. Hiện nay cồn loại amiăng Krizotet (3MgO. 2SiO 2 . 2H 2 O) có thể dùng bìa (vải, sợi) amiăng tuỳ theo ct điện phân (Việt Trì - sợi amiăng). 
+ Ca tốt:	- Độ bền cơ học lớn 
	- Bền trong môi trường điện phân (OH - ) thép 
	- QT với H2 thấp 
	- Độ dẫn điện lớn 
	- Rẻ tiền, dễ gia công 
thép cũng bị ăn mòn (Cl 2 ) 3 – 5 năm thay. 
Ngoài ra cũng có thể dùng ca tốt Cu, Ca tốt thép chịu ăn mòn hơn Cu (do môi trường điện phân Cl 2 ). 
Tăng bề mặt làm việc và làm cho H 2 dễ thoát ra ca tốt có thể đục lưới hoặc làm thành dạng lưới. 
Hoạt động bình điện phân: 
Muối từ kho chuyển vào bể hoà tan ta dùng H 2 O và hơi nước nóng để hoà tan NaCl dd bão hoà NaCl , lọc sơ bộ tách đất rác. Sau đó gia công nhiệt trong bể bê tông sau đó dùng NaOH, Na 2 CO 3 , BaCl 2 để tác Ca 2+ , Mg 2+ , SO 4 2- và HCO 3 - . Điều chỉnh môi trường bằng dd HCl và lọc dd. Dd nước muối sạch được đun nóng và đưa vào bình điện phân 
2NaCl + 2H 2 O NaOH + Cl 2 + H 2 
SP: NaOH, Cl 2 , H 2 được đưa đi xử lý 
Hình 
2. Phương pháp ca tốt Hg: 
Gồm 2 giai đoạn:Giai đoạn 1: Giai đoạn điện phân 
	 Giai đoạn 2: Phân giải, hỗn Na-Hg được tái sinh 
 trong thùng điện phân chỉ có Cl 2 sinh ra không dùng màng ngăn. 
A. QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN: 
+ Anốt thùng điện phân (Grafit) giống anốt thùng điện phân với catốt rắn : 2Cl 2 - - 2e Cl 2 
+ Ca tốt: Do điện cực Hg có quá thế với hiđro lớn (E Na/Hg = - 2,7V)	E H2/dd PH = 7 = - 0,41V 
+ Na + phóng điện: Na + + 1e Na 
Na tách ra trên điện cực Hg có hiệu ứng phân cực lớn. Hiệu ứng này xúc tiến tạo h/c bền NaHg n và xúc tiế sự hoà tan nó 
 môi trường H + sát anốt có thể khuyếch tán sang a nốt bề mặt khi PH = 3 – 4 H + bị điện phân chứ không phải là Na + PH ca tốt tăng. 
nH 2 rất nhạy cảm với ca tốt bản nhưng tạp chất tạo ca tốt giả nH 2 2H + + 2e H 2 
H 2 + Cl 2 HCl (nổ do thùng điện phân không có màng năng) và H điện phân giảm. 
b. Qúa trình phân giải 
NaHg­n ra khỏi thùng điện phân đi vào thùng phân giải 
2NaHg n + 2H 2 O = 2NaOH + H 2 + 2nHg 
Hg qua trở lại thùng điện phân 
Nhiệt độ = 80 – 100 0 C 
V. CHẾ BIẾN THÀNH PHẨM 
1. Sản xuất NaOH thành phẩm: 
- Sau khi điện phân với ca tốt rắn dd NaOH chứa 100 – 140g/l NaOH, 160-180g/l NaCl (CNaOH bé, CNaCl lớn) bốc hơi dd kiềm (mất H 2 O) CNaOH 42%, CNaCl 4% hay được NaOH rắn %m­NaOH 92 – 94% khi tăng nhiệt độ độ hoà tan NaCl giảm NaCl kết tinh tách ra qua trở lại bể hoà tan để NaOH rắn bốc hơi 500 0 C. 
2. Sản xuất Cl 2 , H 2 ­ thành phẩm 
Cl 2 chứa H 2 O (hơi) ăn mòn thiết bị không vận chuyển và sử dụng được 
H 2 điện phân H 2 O, khí than ướt, khí thiên nhiên, lò cốc (ít sử dụng) dùng H 2 từ điện phân NaCl dd. 
A. TỔNG HỢP HCL (THÁP TỔNG HỢP) 
H 2 , Cl 2 đốt trong thiết bị có đậy nắp ở trên bằng amiăng (để phòng nôt) và phần dưới lát gạch chịu lửa và đặt một ống có cấu tạo đặc biệt để làm đòn đốt H 2 và Cl 2 . ống trong dẫn Clo, ống ngoài dẫn H 2 . 
 H 2 , Cl 2 đi xen kẽ để trộn đều với nhau và tránh Cl 2 dư gây ô nhiễm môi trường. 
 hh: H 2 , Cl 2 , HCl (80 – 90%) dd HCl 31% 
b. Hấp thụ HCl = H 2 O 
HCl + H 2 O HClnH 2 O + Q (toả nhiều nhiệt) nếu không lấy bớt Q trong tháp hấp thụ nhiệt độ tăng CHCl giảm (không cao hơn 20,246 do HCl bốc khói). Nếu dùng thiết bị lấy bớt Q biết bị cồng kềnh hấp thụ trong điều kiện đoạn nhiệt, dùng Q hòa tan hay nhanh hơi H 2 O P hơi bão hoà HCL tăng CHCl tăng 
- Hệ dị thể tăng F trong tháp xếp các vật bằng sứ hoặc chất dẻo và cho HCl và H 2 O đi ngược dòng. 
Câu hỏi kiểm tra học trình 1 
Câu 1: Trong quá trình sản xuất NH 3 từ hỗn hợp N 2 và H 2 , người ta đã vận dụng những nguyên tắc nào để nâng cao hiệu suất, hạ giá thành sản phẩm ? 
Câu 2: Người ta dùng hết 112m 3 khí NH 3 ở điều kiện tiêu chuẩn để điều chế dd HNO 3 . Tính mdd HNO 3 ­ 40% thu được biết hiệu suất quá trình chuyển hoá là 92%. 
Câu 3: axits H 2 SO 4 hấp thụ SO 3 theo phương trình 
H 2 SO 4 + nSO 3 H 2 SO 4 .nSO 3 
Hoà tan 6,67g olemum vào H 2 O 200ml dd H 2 SO 4 10m dd này trung hoà vừa hết 16ml dd NaOH0,5M. Tính n và hàm lượng % SO 3 trong olemum đó. 
CH ƯƠ NG V. 
SẢN XUẤT PHÂN BÓN