Bài giảng Hóa công nghệ - Chương 4: Điện phân dung dịch Natriclorua- Ngô Xuân Lương

Nội dung text: Bài giảng Hóa công nghệ - Chương 4: Điện phân dung dịch Natriclorua- Ngô Xuân Lương

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN TH.S NGÔ XUÂN LƯƠNG Thanh Hóa, năm 2008
2. 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.
3. PHẦN I: HÓA CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG
4. CHƯƠNG IV. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH NATRICLORUA
5. I. NHẬN XÉT CHUNG - Điện phân dung dịch NaCl để đ/c 2 hoá chất cơ bản NaOH, Cl2. Cl2 đ/c dd HCL hợp chất chứa clo, PVC tơ Clorua, dung môi clo rofooc CHCl3, C6H6Cl6, 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, Cl2 có chất lượng cao.
6. 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 H2, Cl2 và cô đặc dd NaCl
7. II. HOÀ TAN MUỐI Mục đích: Thu được dd NaCl bảo hoà (Cmax) hàm lượng NaCl 310g/lít Thực hiện: Hoà tan muối = H2O và dùng hơi H2O 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
8. 2+ 2+ 2- + Các ion: Mg , Ca , SO4 có ảnh hưởng tới quá trình điện phân 2- 2+ 2+ - SO4 ăn mòn anốt grafit, Ca , Mg 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 2+ 2+ 2- Nguyên tắc: Chuyển Mg , Ca , SO4 vào thành phần chất giảm = dd kiềm hoặc BaCl2, Na2CO3. a. Phương pháp xô đa – kiềm Dùng Na2CO3 – NaOH (xođa – kiềm) và BaCl2 để giảm các tạp chất
9. Thường dùng Na2CO3 + NaOH dư để giảm hoàn toàn sau đó trung hoà = dd HCl. Khi tinh chế tiến hành ở nhiệt độ cao để CaCO3 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 Mg2+ 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.
10. 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 ?
11. a1. Sự phóng điện ở anốt dd trung tính (PH = 7, H2O) Eo2/2OH- = +0,83V, Eo2/2Cl = +1,33V. OH- phóng điện. - Trước Cl , sản phẩm thu được là O2 chư không phải Cl2. Vậy để thu được Cl2 chọn điện cực có quá thế đối với Clo nhỏ và O2 lớn và bền trong môi trường Cl2. 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
12. 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 → Cl2. 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 H2 rất lớn (điện cực thuỷ ngân)
13. b. Các phản ứng phụ + Ca tốt chỉ có H2 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 Cl2 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 : - - - Cl2+ 2OH  ClO + Cl + H2O - - - Hoặc ở nhiệt độ cao Cl2+ OH  ClO3 + Cl + H2O
14. 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 Cl2 nhỏ và O2 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
15. - + 4OH - 2e → O2 + 4H O2 + C → CO2 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. 2SiO2. 2H2O) có thể dùng bìa (vải, sợi) amiăng tuỳ theo ct điện phân (Việt Trì - sợi amiăng).
16. + 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 (Cl2) 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 Cl2). Tăng bề mặt làm việc và làm cho H2 dễ thoát ra → ca tốt có thể đục lưới hoặc làm thành dạng lưới.
17. Hoạt động bình điện phân: Muối từ kho chuyển vào bể hoà tan ta dùng H2O 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, Na2CO3, 2+ 2+ 2- - BaCl2 để tác Ca , Mg , SO4 và HCO3 . Điều chỉnh môi trường bằng dd HCl và lọc dd. Dd nước muối sạch được đun nóng và đưa vào bình điện phân 2NaCl + 2H2O → NaOH + Cl2 + H2 SP: NaOH, Cl2, H2 được đưa đi xử lý Hình
18. 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 Cl2 sinh ra → không dùng màng ngăn. A. QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN: + Anốt thùng điện phân (Grafit) giống anốt thùng điện phân với - catốt rắn : 2Cl2 - 2e → Cl2 + Ca tốt: Do điện cực Hg có quá thế với hiđro lớn (ENa/Hg = - 2,7V) EH2/dd PH = 7 = - 0,41V
19. + 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 NaHgn và xúc tiế sự hoà tan nó
20. → 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. nH2 rất nhạy cảm với ca tốt bản nhưng tạp chất tạo ca tốt giả → + nH2 → 2H + 2e → H2 H2 + Cl2 → 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 2NaHgn + 2H2O = 2NaOH + H2 + 2nHg Hg qua trở lại thùng điện phân Nhiệt độ = 80 – 1000C
21. 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 H2O) → 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 5000C. 2. Sản xuất Cl2, H2 thành phẩm Cl2 chứa H2O (hơi) → ăn mòn thiết bị → không vận chuyển và sử dụng được
22. H2 điện phân H2O, khí than ướt, khí thiên nhiên, lò cốc (ít sử dụng) dùng H2 từ điện phân NaCl dd. A. TỔNG HỢP HCL (THÁP TỔNG HỢP) H2, Cl2 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 H2 và Cl2. ống trong dẫn Clo, ống ngoài dẫn H2. → H2, Cl2 đi xen kẽ để trộn đều với nhau và tránh Cl2 dư gây ô nhiễm môi trường. → hh: H2, Cl2, HCl (80 – 90%) → dd HCl 31%
23. b. Hấp thụ HCl = H2O HCl + H2O → HClnH2O + 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 H2O → 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 H2O đi ngược dòng. Câu hỏi kiểm tra học trình 1 Câu 1: Trong quá trình sản xuất NH3 từ hỗn hợp N2 và H2, người ta đã vận dụng những nguyên tắc nào để nâng cao hiệu suất, hạ giá thành sản phẩm ?
24. 3 Câu 2: Người ta dùng hết 112m khí NH3 ở điều kiện tiêu chuẩn để điều chế dd HNO3. Tính mdd HNO3 40% thu được biết hiệu suất quá trình chuyển hoá là 92%. Câu 3: axits H2SO4 hấp thụ SO3 theo phương trình H2SO4 + nSO3 → H2SO4.nSO3 Hoà tan 6,67g olemum vào H2O → 200ml dd H2SO4 10m dd này trung hoà vừa hết 16ml dd NaOH0,5M. Tính n và hàm lượng % SO3 trong olemum đó.
25. CHƯƠNG V. SẢN XUẤT PHÂN BÓN