Xem mẫu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
Khoa Công nghệ hóa học và Môi trường
BÀI GIẢNG ĐIỆN PHÂN KHÔNG
THOÁT KIM LOẠI
Biên soạn: Tập thể tác giả Bộ môn công nghệ hóa học
Hưng Yên, 2011
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 .................................................................................................................................3
ĐẠI CƯƠNG VỀ SẢN XUẤT XÚT - CLO ...............................................................................3
1.1. Lịch sử phát triển ............................................................................................................. 3
1
1.2. Tính chất của clo và xút ................................................................................................... 5
1.2.1. Clo ............................................................................................................................. 5
1.2.2. Xút ............................................................................................................................ 6
1.3. Ứng dụng ......................................................................................................................... 9
1.3.1. Clo - sản phẩm chính của sự điện phân .................................................................... 9
1.3.2. Ứng dụng của xút .................................................................................................... 10
1.4. Các phương pháp sản xuất ............................................................................................. 10
1.4.1. Phương pháp hóa học.............................................................................................. 11
1.4.2. Phương pháp điện hóa học ...................................................................................... 14
CHƯƠNG 2 ...............................................................................................................................19
PHƯƠNG PHÁP CATÔT RẮN ...............................................................................................19
2.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................... 19
2.1.1. Các quá trình điện cực ............................................................................................ 19
2.1.2. Điện thế phân hủy ................................................................................................... 25
2.1.3. Điện thế catot .......................................................................................................... 26
2.1.4. Điện thế anot ........................................................................................................... 27
2.1.5. Quá thế .................................................................................................................... 28
2.1.6. Hiệu suất dòng điện và năng lượng tiêu hao ........................................................... 30
2.2. Điện cực và màng .......................................................................................................... 31
2.2.1. Anot ........................................................................................................................ 31
2.2.2. Catôt ........................................................................................................................ 34
2.2.3. Màng ....................................................................................................................... 35
2.3. Các nguyên tắc cấu tạo thùng điện phân và các loại thùng ........................................... 37
2.3.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp chất điện giải không chuyển động ........................... 37
2.3.2. Phương pháp ngược chiều ...................................................................................... 44
2.3.3. Cấu tạo thùng .......................................................................................................... 52
CHƯƠNG 3 ...............................................................................................................................59
PHƯƠNG PHÁP CATÔT THỦY NGÂN ................................................................................59
3.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................... 59
3.1.1. Quá trình catot ........................................................................................................ 59
3.1.2. Quá trình anôt ......................................................................................................... 62
3.1.3. Quá trình phụ trên catôt thủy ngân và hiệu suất dòng điện .................................... 62
3.1.4. Điện cực và sự phân giải hỗn hống ......................................................................... 62
3.1.5. Điện thế phân hủy NaCl và năng lượng tiêu hao .................................................... 66
3.1.6. Sử dụng năng lượng khi phân giải hỗn hống .......................................................... 67
3.1.7. Hợp lý hóa điều kiện điện phân .............................................................................. 69
3.2. Cấu tạo thùng thủy ngân ................................................................................................ 69
3.2.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 69
3.2.2. Những nguyên tắc cơ bản của thùng thủy ngân cải tiến ......................................... 70
3.2.3. Giới thiệu một vài kiểu thùng chủ yếu.................................................................... 71
3.3. So sánh phương pháp catôt thủy ngân và catôt rắn........................................................ 81
CHƯƠNG 4 ...............................................................................................................................82
NHỮNG QUÁ TRÌNH CƠ BẢN VÀ SƠ ĐỒ SẢN XUẤT XUT - CLO ................................82
4.1. Những quá trình cơ bản ................................................................................................. 82
4.1.1. Làm sạch nước muối ............................................................................................... 82
4.1.2. Điện phân ................................................................................................................ 84
4.1.3. Sấy clo..................................................................................................................... 84
4.1.4. Cô đặc xút ............................................................................................................... 84
4.2. Dây chuyền sản xuất ...................................................................................................... 86
CHƯƠNG 5 ...............................................................................................................................87
2
ĐIỆN PHÂN ĐIỀU CHẾ CÁC HỢP CHẤT CLO ...................................................................87
5.1. Hypoclorit natri NaClO ................................................................................................. 87
5.2. Clorat natri NaClO3 ....................................................................................................... 89
5.3. Peclorat natri NaClO4 .................................................................................................... 89
CHƯƠNG 6 ...............................................................................................................................91
ĐIỆN PHÂN NƯỚC .................................................................................................................91
6.1. Quá trình điện cực.......................................................................................................... 91
6.1.1. Quá trình catôt ........................................................................................................ 91
6.1.2. Quá trình anôt ......................................................................................................... 93
6.2. Dung dịch – điện cực – màng ........................................................................................ 93
6.2.1. Dung dịch ................................................................................................................ 93
6.2.2. Điện cực .................................................................................................................. 94
6.2.3. Màng ....................................................................................................................... 95
6.3. Tiêu tốn nước cho điện phân ......................................................................................... 95
6.4. Điện phân nước ở áp suất cao ........................................................................................ 96
CHƯƠNG 7 ..............................................................................................................................97
ĐIỆN PHÂN SẢN XUẤT MỘT SỐ HỢP CHẤT VÔ CƠ.......................................................97
7.1. Pemanganat Kali ............................................................................................................ 97
7.1.1. Phương pháp bán điện hóa ...................................................................................... 98
7.1.2. Phương pháp điện hóa............................................................................................. 99
7.2. Đi oxyt mangan ............................................................................................................ 100
PHẦN PHỤ LỤC ....................................................................................................................102
CHƯƠNG 1
ĐẠI CƯƠNG VỀ SẢN XUẤT XÚT - CLO
1.1. Lịch sử phát triển
Xút – clo là hai sản phẩm quan trọng không thể thiếu trong các ngành công nghiệp.
Năm 1774 người ta đã điều chế clo bằng cách tác dụng axit clohydric với boxyt
mangan.
Năm 1785 clo được sản xuất và dung trong công nghiệp bằng cách tác dụng axit
sunfuric với muối ăn và bioxyt.
Năm 1866 có sự cải tiến lớn trong ngành sản xuất clo đó là hoàn nguyên bioxyt
mangan từ clorua mangan.
3
Năm 1870 phương pháp sản xuất xut – clo dùng trong thực tế là oxyt hóa clorua
hydro bằng oxy của không khí có đồng làm xúc tác.
Năm 1807 người ta đã điều chế clo bằng phương pháp điện phân dung dịch muối
ăn, nhưng phương pháp này được ứng dụng sản xuất vào năm 1879 do sự phát minh
của H.ryxob và Ø. Ba UyK. Năm 1897 OTenaHob đã chế ra thiết bị điện phân muối ăn
và từ đó người ta thấy rằng phương pháp điện hóa học có nhiều ưu việt hơn so với các
phương pháp hóa học.
Công nghiệp sản xuất xút – clo phát triển mạnh sau đại chiến thế giới lần thứ nhất
cùng với sự phát triển của công nghiệp các chất hữu cơ. Clo được dùng đại bộ phận
vào việc clo hóa các chất hữu cơ và một phần sản xuất các dung môi hữu cơ. Cuối thế
kỷ thứ 19 người ta đã điều chế xút – clo bằng catot thủy ngân, nhưng đến đầu thế kỷ 20
phương pháp này mới tăng nhanh và dần dần vượt hơn phương pháp màng.
Sau đại chiến thế giới lần thứ hai, sản xuất xút - clo có những bước nhảy vọt mới.
Ngày nay do sự phát triển của công nghiệp sợi nhân tạo, nên xút yêu cầu phải có độ
tinh khiết cao, phương pháp catot thủy ngân có nhiều tính ưu việt.
Năm 1958 ở các nước châu Âu có khoảng 85% clo sản xuất theo phương pháp thủy
ngân.
Kế hoạch 7 năm phát triển công nghiệp của Liên Xô sản xuất clo theo phương pháp
thủy ngân chiếm 50%.
Theo số liệu (1957) tỷ lệ giữa phương pháp thủy ngân và phương pháp màng như
sau:
Bảng I
Nước
Phương pháp
Màng
Thủy ngân
Mỹ
84,5%
15%
Anh
44,5
55,5
Đức
4
96
Pháp
30
70
Ý
4
96
Thụy Điển
4
96
4
Ngày nay lượng clo dùng nhiều và vượt hơn lượng xút nên nhiều nước đã sản xuất
clo đã sản xuất clo không đồng thời với xút.
1.2. Tính chất của clo và xút
1.2.1. Clo
*) Trong điều kiện thường clo là khí màu vàng lục nặng hơn không khí. Khi làm lạnh
clo khí ta được clo lỏng nhiệt độ sôi là -34,60, nếu tiếp tục làm lạnh đến 10205 ta được
clo ở thể rắn.
Trọng lượng nguyên tử của clo là 35,457.
Một lít clo ở điều kiện thường nặng 3,214 gam và 2,5 lần nặng hơn không khí.
Nhiệt dung trung bình của khí clo là: 0,124 calo/độ trong điều kiện áp suất không đổi
và nhiệt độ từ 15 – 2200, nhưng đến 3400 thì nhiệt dung trung bình là 0,1155 calo/độ.
Nhiệt bay hơi ở -220 là 67,4 calo/gam, ở +80 là 62,7 calo/gam.
Độ hòa tan clo trong nước (theo thể tích ) khi 100C : 0,99%, ở 200C: 0,72%, ở 400C:
0,45%. ở 900C: 0,13%.
Bảng 2: Độ hòa tan của clo trong nước và trong dung dịch NaCl
Nồng độ
Độ hòa tan Clo g/l
NaCl g/l
200C
400
600
800
Nước (0 g/l)
7,3
4,59
2,5
1,15
230 g/l
2,90
1,84
0,95
0,42
298 g/l
1,86
1,05
0,54
0,25
Bảng 3: Áp suất khí clo trên bề mặt chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ
Nhiệt
Áp suất Nhiệt
Áp suất Nhiệt
độ 0C
Cl2/Hg
độ 0C
Clo ata
độ 0C
Clo ata
độ 0C
Clo ata
600
210
-30
1,20
5
4,25
40
11,5
50
350
-25
1,50
10
4,95
50
14,7
40
360
-20
1,84
15
5,75
60
18,6
5
Áp suất Nhiệt
Áp suất
nguon tai.lieu . vn
Khoa Công nghệ hóa học và Môi trường
BÀI GIẢNG ĐIỆN PHÂN KHÔNG
THOÁT KIM LOẠI
Biên soạn: Tập thể tác giả Bộ môn công nghệ hóa học
Hưng Yên, 2011
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 .................................................................................................................................3
ĐẠI CƯƠNG VỀ SẢN XUẤT XÚT - CLO ...............................................................................3
1.1. Lịch sử phát triển ............................................................................................................. 3
1
1.2. Tính chất của clo và xút ................................................................................................... 5
1.2.1. Clo ............................................................................................................................. 5
1.2.2. Xút ............................................................................................................................ 6
1.3. Ứng dụng ......................................................................................................................... 9
1.3.1. Clo - sản phẩm chính của sự điện phân .................................................................... 9
1.3.2. Ứng dụng của xút .................................................................................................... 10
1.4. Các phương pháp sản xuất ............................................................................................. 10
1.4.1. Phương pháp hóa học.............................................................................................. 11
1.4.2. Phương pháp điện hóa học ...................................................................................... 14
CHƯƠNG 2 ...............................................................................................................................19
PHƯƠNG PHÁP CATÔT RẮN ...............................................................................................19
2.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................... 19
2.1.1. Các quá trình điện cực ............................................................................................ 19
2.1.2. Điện thế phân hủy ................................................................................................... 25
2.1.3. Điện thế catot .......................................................................................................... 26
2.1.4. Điện thế anot ........................................................................................................... 27
2.1.5. Quá thế .................................................................................................................... 28
2.1.6. Hiệu suất dòng điện và năng lượng tiêu hao ........................................................... 30
2.2. Điện cực và màng .......................................................................................................... 31
2.2.1. Anot ........................................................................................................................ 31
2.2.2. Catôt ........................................................................................................................ 34
2.2.3. Màng ....................................................................................................................... 35
2.3. Các nguyên tắc cấu tạo thùng điện phân và các loại thùng ........................................... 37
2.3.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp chất điện giải không chuyển động ........................... 37
2.3.2. Phương pháp ngược chiều ...................................................................................... 44
2.3.3. Cấu tạo thùng .......................................................................................................... 52
CHƯƠNG 3 ...............................................................................................................................59
PHƯƠNG PHÁP CATÔT THỦY NGÂN ................................................................................59
3.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................... 59
3.1.1. Quá trình catot ........................................................................................................ 59
3.1.2. Quá trình anôt ......................................................................................................... 62
3.1.3. Quá trình phụ trên catôt thủy ngân và hiệu suất dòng điện .................................... 62
3.1.4. Điện cực và sự phân giải hỗn hống ......................................................................... 62
3.1.5. Điện thế phân hủy NaCl và năng lượng tiêu hao .................................................... 66
3.1.6. Sử dụng năng lượng khi phân giải hỗn hống .......................................................... 67
3.1.7. Hợp lý hóa điều kiện điện phân .............................................................................. 69
3.2. Cấu tạo thùng thủy ngân ................................................................................................ 69
3.2.1. Giới thiệu chung ..................................................................................................... 69
3.2.2. Những nguyên tắc cơ bản của thùng thủy ngân cải tiến ......................................... 70
3.2.3. Giới thiệu một vài kiểu thùng chủ yếu.................................................................... 71
3.3. So sánh phương pháp catôt thủy ngân và catôt rắn........................................................ 81
CHƯƠNG 4 ...............................................................................................................................82
NHỮNG QUÁ TRÌNH CƠ BẢN VÀ SƠ ĐỒ SẢN XUẤT XUT - CLO ................................82
4.1. Những quá trình cơ bản ................................................................................................. 82
4.1.1. Làm sạch nước muối ............................................................................................... 82
4.1.2. Điện phân ................................................................................................................ 84
4.1.3. Sấy clo..................................................................................................................... 84
4.1.4. Cô đặc xút ............................................................................................................... 84
4.2. Dây chuyền sản xuất ...................................................................................................... 86
CHƯƠNG 5 ...............................................................................................................................87
2
ĐIỆN PHÂN ĐIỀU CHẾ CÁC HỢP CHẤT CLO ...................................................................87
5.1. Hypoclorit natri NaClO ................................................................................................. 87
5.2. Clorat natri NaClO3 ....................................................................................................... 89
5.3. Peclorat natri NaClO4 .................................................................................................... 89
CHƯƠNG 6 ...............................................................................................................................91
ĐIỆN PHÂN NƯỚC .................................................................................................................91
6.1. Quá trình điện cực.......................................................................................................... 91
6.1.1. Quá trình catôt ........................................................................................................ 91
6.1.2. Quá trình anôt ......................................................................................................... 93
6.2. Dung dịch – điện cực – màng ........................................................................................ 93
6.2.1. Dung dịch ................................................................................................................ 93
6.2.2. Điện cực .................................................................................................................. 94
6.2.3. Màng ....................................................................................................................... 95
6.3. Tiêu tốn nước cho điện phân ......................................................................................... 95
6.4. Điện phân nước ở áp suất cao ........................................................................................ 96
CHƯƠNG 7 ..............................................................................................................................97
ĐIỆN PHÂN SẢN XUẤT MỘT SỐ HỢP CHẤT VÔ CƠ.......................................................97
7.1. Pemanganat Kali ............................................................................................................ 97
7.1.1. Phương pháp bán điện hóa ...................................................................................... 98
7.1.2. Phương pháp điện hóa............................................................................................. 99
7.2. Đi oxyt mangan ............................................................................................................ 100
PHẦN PHỤ LỤC ....................................................................................................................102
CHƯƠNG 1
ĐẠI CƯƠNG VỀ SẢN XUẤT XÚT - CLO
1.1. Lịch sử phát triển
Xút – clo là hai sản phẩm quan trọng không thể thiếu trong các ngành công nghiệp.
Năm 1774 người ta đã điều chế clo bằng cách tác dụng axit clohydric với boxyt
mangan.
Năm 1785 clo được sản xuất và dung trong công nghiệp bằng cách tác dụng axit
sunfuric với muối ăn và bioxyt.
Năm 1866 có sự cải tiến lớn trong ngành sản xuất clo đó là hoàn nguyên bioxyt
mangan từ clorua mangan.
3
Năm 1870 phương pháp sản xuất xut – clo dùng trong thực tế là oxyt hóa clorua
hydro bằng oxy của không khí có đồng làm xúc tác.
Năm 1807 người ta đã điều chế clo bằng phương pháp điện phân dung dịch muối
ăn, nhưng phương pháp này được ứng dụng sản xuất vào năm 1879 do sự phát minh
của H.ryxob và Ø. Ba UyK. Năm 1897 OTenaHob đã chế ra thiết bị điện phân muối ăn
và từ đó người ta thấy rằng phương pháp điện hóa học có nhiều ưu việt hơn so với các
phương pháp hóa học.
Công nghiệp sản xuất xút – clo phát triển mạnh sau đại chiến thế giới lần thứ nhất
cùng với sự phát triển của công nghiệp các chất hữu cơ. Clo được dùng đại bộ phận
vào việc clo hóa các chất hữu cơ và một phần sản xuất các dung môi hữu cơ. Cuối thế
kỷ thứ 19 người ta đã điều chế xút – clo bằng catot thủy ngân, nhưng đến đầu thế kỷ 20
phương pháp này mới tăng nhanh và dần dần vượt hơn phương pháp màng.
Sau đại chiến thế giới lần thứ hai, sản xuất xút - clo có những bước nhảy vọt mới.
Ngày nay do sự phát triển của công nghiệp sợi nhân tạo, nên xút yêu cầu phải có độ
tinh khiết cao, phương pháp catot thủy ngân có nhiều tính ưu việt.
Năm 1958 ở các nước châu Âu có khoảng 85% clo sản xuất theo phương pháp thủy
ngân.
Kế hoạch 7 năm phát triển công nghiệp của Liên Xô sản xuất clo theo phương pháp
thủy ngân chiếm 50%.
Theo số liệu (1957) tỷ lệ giữa phương pháp thủy ngân và phương pháp màng như
sau:
Bảng I
Nước
Phương pháp
Màng
Thủy ngân
Mỹ
84,5%
15%
Anh
44,5
55,5
Đức
4
96
Pháp
30
70
Ý
4
96
Thụy Điển
4
96
4
Ngày nay lượng clo dùng nhiều và vượt hơn lượng xút nên nhiều nước đã sản xuất
clo đã sản xuất clo không đồng thời với xút.
1.2. Tính chất của clo và xút
1.2.1. Clo
*) Trong điều kiện thường clo là khí màu vàng lục nặng hơn không khí. Khi làm lạnh
clo khí ta được clo lỏng nhiệt độ sôi là -34,60, nếu tiếp tục làm lạnh đến 10205 ta được
clo ở thể rắn.
Trọng lượng nguyên tử của clo là 35,457.
Một lít clo ở điều kiện thường nặng 3,214 gam và 2,5 lần nặng hơn không khí.
Nhiệt dung trung bình của khí clo là: 0,124 calo/độ trong điều kiện áp suất không đổi
và nhiệt độ từ 15 – 2200, nhưng đến 3400 thì nhiệt dung trung bình là 0,1155 calo/độ.
Nhiệt bay hơi ở -220 là 67,4 calo/gam, ở +80 là 62,7 calo/gam.
Độ hòa tan clo trong nước (theo thể tích ) khi 100C : 0,99%, ở 200C: 0,72%, ở 400C:
0,45%. ở 900C: 0,13%.
Bảng 2: Độ hòa tan của clo trong nước và trong dung dịch NaCl
Nồng độ
Độ hòa tan Clo g/l
NaCl g/l
200C
400
600
800
Nước (0 g/l)
7,3
4,59
2,5
1,15
230 g/l
2,90
1,84
0,95
0,42
298 g/l
1,86
1,05
0,54
0,25
Bảng 3: Áp suất khí clo trên bề mặt chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ
Nhiệt
Áp suất Nhiệt
Áp suất Nhiệt
độ 0C
Cl2/Hg
độ 0C
Clo ata
độ 0C
Clo ata
độ 0C
Clo ata
600
210
-30
1,20
5
4,25
40
11,5
50
350
-25
1,50
10
4,95
50
14,7
40
360
-20
1,84
15
5,75
60
18,6
5
Áp suất Nhiệt
Áp suất