3 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XÚT – CLO

Để sản xuất xút NaOH, phương pháp điện phân muối ăn hay còn gọi là công nghệ sản xuất xút-clo là phương pháp đem lại hiệu quả cao, đã được ứng dụng vào sản xuất trên quy mô công nghiệp từ hơn 100 năm nay. Có ba công nghệ chủ yếu để điện phân muối ăn và sản xuất xút clo là: công nghệ điện phân bằng điện cực thuỷ ngân, công nghệ điện phân bằng màng ngăn và công nghệ điện phân bằng màng trao đổi ion.

1 Công nghệ điện phân bằng điện cực thủy ngân

Đây là công nghệ điện phân được áp dụng lần đầu tiên ở quy mô công nghiệp và ban đầu được phát triển ở châu âu. Ở công nghệ này, thủy ngân được sử dụng một mặt làm catôt cho bể điện phân, một mặt để tạo hỗn hống với natri. Về cơ bản, thủy ngân không bị tiêu hao trong quá trình sản xuất, vì tất cả các bể điện phân đều hoạt động theo chu trình khép kín đối với thủy ngân. Phương pháp này cho phép sản xuất dung dịch NaOH 50 – 52% (trọng lượng) mà không cần công đoạn cô. Độ tinh khiết của sản phẩm xút thu được rất cao, hàm lượng tạp chất rất thấp

Xút NaOH sản xuất theo phương pháp điện phân với điện cực thuỷ ngân thường được coi như xút tinh khiết bậc Rayon. Sản xuất sợi tơ nhân tạo phụ thuộc rất nhiều vào nguồn cung cấp dung dịch xút tinh khiết cao của bậc này. Một ứng dụng quan trọng khác của xút bậc Rayon này là để tái chế các thiết bị trao đổi ion để lọc nước.

Tuy nhiên, vấn đề gặp phải khi sử dụng phương pháp này là việc xử lý lượng thủy ngân thải ra môi trường. Các biện pháp bảo hộ lai động và xử lý chất thải cần được quan tâm.

2 Công nghệ điện phân với màng ngăn (diaphragm)

Công nghệ này được phát triển chủ yếu ở Mỹ. Ở công nghệ này người ta sử dụng màng amiăng hoặc các màng thay thế cho amiăng để ngăn không cho các sản phẩm của quá trình điện phân muối ăn là NaOH và clo phối trộn với nhau. Dung dịch 50% NaOH được sản xuất chủ yếu bên ngoài bể điện phân. Bể điện phân với màng ngăn chỉ sản xuất dung dịch NaOH rất loãng, khoảng 12 – 14% (trọng lượng) với nồng độ NaCl cũng xấp xỉ như vậy. Sau đó, dung dịch loãng được cô ở công đoạn cô đặc ba hoặc bốn cấp để sản xuất ra dung dịch cuối cùng có nồng độ 49 – 52% NaOH. Muối dư được kết tủa và tách ra qua công đoạn cô để tuần hoàn trở lại bể điện phân.

Dung dịch NaOH sản xuất bằng phương pháp màng ngăn có chất lượng kém nhất trong ba phương pháp điện phân muối ăn.

Xút sản xuất theo phương pháp màng ngăn thường được coi như xút sạch bậc kỹ thuật hoặc bậc thương mại. Người ta cũng có thể tiến hành cô bổ sung dung dịch xút sạch bậc kỹ thuật với nồng độ 50 % NaOH này để giảm hàm lượng muối, do khi cô nồng độ xút cao hơn nên muối sẽ kết tủa. Dung dịch đặc thu được sẽ lại được pha loãng để thu được dung dịch 50 % NaOH bậc tinh khiết cao hơn.

Xút sản xuất theo phương pháp màng ngăn thường được sử dụng trong xử lý nước thải, sản xuất vải sợi, xà phòng, chất giặt rửa, và trong công nghiệp luyện nhôm.

Nếu chỉ tính riêng công đoạn điện phân, thì nhu cầu năng lượng ở phương pháp này thấp hơn phương pháp điện cực thủy ngân, nhưng do phải cô đặc nên tổng tiêu hao năng lượng cao hơn nhiều. Công đoạn cô đặc rất tốn kém cả về chi phí đầu tư và nhu cầu năng lượng, và không cho phép sản xuất sản phẩm NaOH có độ tinh khiết đủ cao cho một số ứng dụng nhất định.

3 Công nghệ điện phân với màng trao đổi ion (membrane)

Công nghệ này được phát triển muộn nhưng đem lại hiệu quả cao nhất. Ở công nghệ này người ta sử dụng màng trao đổi ion để tách các ion clo và natri. Bể điện phân được chia thành hai khoang, khoang anôt được nạp dung dịch nước muối bão hòa, còn khoang catôt được nạp nước khử khóang. Màng trao đổi ion cho phép các ion natri di chuyển về hướng màng, đồng thời giữ khí clo và dung dịch nước muối trong một khoang ở phía bên kia của bể điện phân. Ion natri phản ứng với nước tạo thành NaOH. Dung dịch xút được sản xuất bằng phương pháp màng trao đổi ion thường có nồng độ NaOH 33 – 35% (trọng lượng). Người ta cũng áp dụng công đoạn cô như ở phương pháp điện phân màng ngăn, để tăng nồng độ xút lên 50% thích hợp cho vận chuyển. Mục đích của công đoạn cô không phải là giảm hàm lượng NaCl, vì do bản chất chọn lọc thẩm thấu của màng trao đổi ion nên hàm lượng NaCl không đáng kể, hơn nữa lượng nước cần bay hơi cũng nhỏ hơn so với phương pháp màng ngăn. Những lượng nhỏ của muối có thể đi qua màng, làm cho dung dịch xút có nồng độ tối đa 75 ppm NaCl. Nhưng sản phẩm xút của một số nhà sản xuất áp dụng công nghệ điện phân màng trao đổi ion có thể có nồng độ NaCl cao hơn 100 ppm.

Nói chung, hàm lượng tạp chất trong sản phẩm NaOH theo công nghệ màng trao đổi ion thường rất thấp. Xút sản xuất theo công nghệ màng trao đổi ion thường cũng được chấp nhận như xút tinh khiết bậc Rayon, được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực khác, kể cả lĩnh vực sản xuất tơ sợi nhân tạo.

Bình điện phân với màng trao đổi ion sử dụng cho các nhà máy xút – clo hiện đại thường là các loại bình điện phân cỡ lớn, thiết diện mỗi bình có thể lên đến 5 m2 (kích thước bên ngoài 2 x 4 m). Các bình này sử dụng điện cực làm từ vật liệu hoàn toàn trơ về mặt hóa học nên rất bền.

Công nghệ điện phân màng trao đổi ion có những ưu điểm chính như sau:

– 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.

Tuy nhiên, việc chuyển sang công nghệ điện phân với màng trao đổi ion đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu tương đối cao, đặc biệt giá màng trao đổi ion khá cao. Công nghệ này còn đòi hỏi phải xử lý nước muối rất tốt để đạt độ tinh khiết cao trước khi đưa vào điện phân.

Xu hướng sản xuất NaOH trên thế giới thay đổi như thế nào?

Trước đây, phần lớn các nhà máy xút – clo trên thế giới, nhất là ở châu âu, vẫn đang vận hành công nghệ điện phân với điện cực thủy ngân vì vấn đề kinh tế và đây cũng là công nghệ đã được vận hành ổn định, cho phép sản xuất ra sản phẩm xút với chất lượng rất cao, đồng thời các nhà sản xuất cũng đã ngày càng cải tiến công nghệ này, áp dụng các biện pháp để giảm đáng kể lượng thủy ngân phát tán ra môi trường.

Tuy nhiên, do tác động của các quy định ngày càng nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường nên công nghệ điện phân với màng trao đổi ion đang ngày càng được ứng dụng nhiều thay thế cho phương pháp điện cực thủy ngân.