Quy trình điện hóa – công nghiệp

Do đó quá trình điện hóa cần có:
– Thùng điện phân: Chứa dung dịch điện ly
– Cực Catot: Khi dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện li các Cation chạy đến Catot
– Cực Anot: Khi có dòng điện một chiều thì các Anion chạy đến Anot sẽ phóng điện trên các điên cưc này cho nên thế Catot và thế Anot gọi là thế phóng điện của Cation và Anion.

Trong công nghiệp hóa học công nghệ điện hóa được áp dụng để điều chế, tổng hợp nhiều hóa chất cơ bản, chất hữu cơ, luyện kim như:
– Điều chế H2, O2, NaOH, Cl2 ….để tổng hợp các hợp chất vô cơ và muối.
– Dùng để tổng hợp các chất hữu cơ.
– Dùng để thủy luyện các kim loại như: Cu, Ni, Zn, Co, Cd, Na, K, .. các kim loại quí và đất hiếm.
– Dùng để sản xuất các nguồn điện hóa (pin , Acquy ..) và mạ điện

Phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm như công nghệ đơn giản nhưng nhược điểm là tiêu tốn nhiều điện năng do hiệu suất thấp. Nhưng qua thời gian các phương pháp điện phân có nhiều cải tiến và ngày càng đạt hiệu suất cao hơn, tiết kiệm năng lượng, và ít tạp chất hơn. Một trong những quá trình điện hóa phổ biến nhất là quá trình điện hóa sản xuất Xút – Clo.

Công nghệ điện phân điều chế Xút – Clo:

Trong công nghiệp ,người ta dùng phổ biến 2 phương pháp sản xuất Xút – Clo:
– Phương pháp Catôt rắn sử dụng màng ngăn
Trong phương pháp này có hai công nghệ sử dụng là màng ngăn amiăng hoặc màng trao đổi ion.
– Phương pháp Catôt thủy ngân.

A. Phương pháp Catôt rắn (phương pháp màng ngăn):

1. Muối & điều chế nước muối:

NaCl là nguyên liệu chính để sản xuất xút và Clo bằng phương pháp điện phân (NaCl có trong nước biển , mỏ muối )
Muối dùng làm nguyên liệu sản xuất xút – Clo phải theo các tiêu chuẩn NaCl > 97,5% ; chất tan < 0,5 % ; Ca2+ < 0,4% ; Mg2+ < 0,05% ; K+ <0,002% ; SO42- <0,84%

Ca2+,Mg2+ là những ion có hại cho quá trình điện phân, vì Ca, Mg tác dụng với kiềm tạo thành hyđrôxit khó tan , kết tủa trên màng cách , bịt kín các lỗ màng , gây cản trở quá trình điện phân.

Trong công nghiệp thường kết tủa Mg bằng cách trộn nước muối mới điều chế với nước muối hồi lưu từ công đoạn điện phân sang vì trong đó có chứa NaOH .
Ca được kết tủa bằng xôđa .
CaCl₂   +   Na₂CO₃  =  CaCO₃ ¯  +   2NaCl

Muốn kết tủa hoàn toàn Ca,Mg thì cần dùng dư xút và xôđa để tiết kiệm axit (để trung hòa) và xôđa . Người ta áp dụng biện pháp Cacbon hóa nước hồi lưu bằng cách thổi CO2 vào , xút sẽ chuyển thành xôđa
2NaOH  +  CO₂   =   Na₂CO3  +  H₂O.

2. Ðiện phân

Sau khi tinh chế các tạp chất , nước muối được đưa sang công đoạn điện phân .
a) Cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân .
Anốt graphít (1) ,
Catốt sắt có dạng lưới (2)
Chia thùng điện phân 2 phần :
– Không gian anốt (3)
– Không gian Catốt (4
Màng ngăn cách amiăng phủ trên Catốt ở phía đối diện  với anốt , ngăn không gian Catốt và anốt . Nước muối đưa vào không gian annốt qua màng cách và Catốt , vào không gian Catốt rồi ra ngoài.

– Dung dịch ở điện phân không gian anốt gọi là anolit.
– Dung dịch ở điện phân không gian gọi là Catolit.
– Khi cho dòng điện một chiều qua thùng phân các anion OH -,Cl- về anột , còn cation H+, Na+ về catot để phóng điện .
Những ion nào có thể phóng điện thấp hơn thì phóng điện trước .Trên Catot điện thế của Na+ lớn hơn của H+ nhiều .
Cho nên : H+  +  e’ = H  ;2H –> H2
Do H2  phóng điện ,nên H2O tiếp tục điện ly ,tạo thêm ion OH –
Cl^– – e’ = Cl
Cl +  Cl =  Cl2
Ngoài ra ,trong quá trình điện phân còn xảy ra các quá trình phụ để hạn chế các phản ứng cần phải dùng màng cách ngăn không cho các1 sản phẩm chủ yếu OH – (Catolit) trộn lẫn với anolit.
Dung dịch NaCl liên tục chảy từ không gian anot sang không gian catot ,màng cách ngăn còn có tác dụng giử cho H2 và Cl2 không tác dụng được với nhau tạo thanh hỗn hợp nổ.

b) Ðiều kiện điện phân:
Ðể thực hiên tốt quá trình điện phân ,cần phải bảo đảm các điều kiện dưới đây:
-Duy trì mức độ phân hủy muối ăn khoảng 45 – 55%
– Muối không bị phân hủy sẽ theo dung dịch xút ra ngoài thùng điện phân .
-Nồng độ muối ăn trong dung dịch gần như bão hòa (khoảng 310 – 315 g/l)
vì dung dịch càng đậm đặc thì dộ tan của Cl càng thấp .
-Nhiệt độ điện phân tương đối cao ,khoảng 85 – 97^oC,nhiệt độ cao cũng có tác dụng hạn chế các quá trình điện phân như dung dịch muối đậm đặc .

3. Thùng điện phân:

Phổ biến nhất là thùng Hucke là loại thùng điện phân hình hộp chữ nhật ,màng cứng ,nó ưu điểm là: diện tích làm việc của điện cực cao .
-Thùng đi kín  để tránh không cho không khí lọt vào làm loãng khí H2  và tạo thành hỗn hợp nổ .
-Ðể tránh mất điện ,thùng điện phân được đặt trên một chân càch điện , nước muối được đưa vào thùng cũng như dung dịch kiềm đưa ra khỏi thùng  đều qua các bộ phận ngắt dòng đặt biệt.

4. Lưu trình công nghệ điện phân:
Dung dịch NaCl sau khi tinh chế và gia nhiệt 80^oC , được đưa vào thùng chứa rồi từ đó phân phối vào các thùng điện phân (2) .
Từ thùng điện phân ra , khí H2  đưa vào tháp làm lạnh (3) . Từ tháp ra khí H2  được máy nén (4) đưa đến nơi tiêu thụ.
Còn khí Cl2 được đưa vào tháp đệm làm lạnh (5) , từ (5) ra khí Cl2 có nhiệt độ khoảng 15 -20^oC và độ ẩm 90%.

 

Sau đó được đưa vào 2 tháp sấy khô (6) và (7) để loại nước bằng axit H2SO4 (96%) ; đưa vào thùng cao vê (10) ; rồi đưa vào tháp chứa (11) . Sau đó đưa lên đỉnh tháp sấy khô (7) , môt phần axit ra khỏi tháp được đưa sang thùng chứa (8) , rồi bơm sang thiết bị làm lạnh (9) lên đỉnh tháp (6) . Tại đây axit lên đến 74% đem đi xử lý .

Khí CO2 sau khi sấy khô ở tháp (7) có độ ẩm không quá 1,5 g/m3 , qua thùng lọc (12) để loại axit H2SO4 .
Còn dung dịch xút , từ thùng điện phân ra ,chảy vào thùng chứa (14) , rồi đưa sang bộ phận cô đặc và điều chế xút rắn .

B. Cô đặc xút & điều chế xút rắn – xút vảy

1. Cô đặc Xút

Xút điều chế thành phần chủ yếu là :

Sản xuất xút tinh thể giúp dễ dàng bảo quản và vận chuyển. Dung dịch xút lỏng được bơm vào thiết bị truyền nhiệt. Nhiệt được tận dụng nhiệt thừa bằng hơi thứ của các thiết bị cô đặc dung dịch xút được cô đặng qua các bước sau:

–  Bước 1: Cô đặc dung dịch xút tới nồng độ 65%. Tăng nhiệt bằng hơi thues của thiết bị cô đặc

–  Bước 2: Cô đặc đưa nồng độ xút lên 70-80%, thực hiện ở áp suất 8atm, và nhiệt độ khảng 380^oC

–  Bước 3: Ở điều kiện áp suất thấp, tại đây dung dịch Xút được cô đặc hết nước hàm lượng chất rắn xút thu được đạt 99%. Xút nóng được đưa vào thiết biji kết tinh liên tục kiểu trống quay. Trong lòng trống chia thày các khu vực có nhiệt độ riêng biệt khác nhau. Xút kết tinh trên ngoài của trống được dao gạt rơi xuống máy nghiền (do đó xút có dạng vảy) rồi đóng thùng.

C. Hóa lỏng Clo: 

Hóa lỏng Clo là một khâu quan trọng , và rất có lợi .
– Ta trữ Clo với lượng lớn , trong một thời gian dài .
– Cung cấp được Clo lỏng & Clo khí có hàm lượng cao ,với áp suất ổn định :
–  Ta có thể vận chuyển Clo đi xa trong các bể chứa .
+ Ðể hóa lỏng Clo , người ta có thể dùng 1 trong 3 phương pháp làm lạnh sâu :nén cho áp suất lên tới 0,8 atm rồi làm lạnh tới -35^o -45^oC.
Nén tới áp suất cao -12atm mà không cần phải làm lạnh
Hỗn hợp : Kết hợp 2 phương pháp trên , nén Clo tới áp suất thấp khoảng 5atm, đồng thời làm lạnh ở mức độ thấp hơn (không quá  -18^oC) .