Bài giảng Điện phân không thoát kim loại

 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 Áp suất Nhiệt Áp suất 
 0 0 0 0
 độ C Cl2/Hg độ C Clo ata độ C Clo ata độ C 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
 35 705 -10 2,63 20 6,62 70 23 
 33,6 760 -5 3,14 25 7,63 80 28,4 
 0 3,68 30 8,75 90 34,5 
 35 9,95 100 41,7 
*) Hóa tính: Clo là nguyên tố hoạt động hóa học mạnh nó tác dụng với nước theo phản 
ứng: 
 Cl2 + H2O = HCl + HClO 
 Clo khô không tác dụng với sắt, đồng, gang, chì và các kim loại khác. 
 Hỗn hợp clo với hydro tạo thành hỗn hợp nổ từ 4 – 96% clo kết hợp với amoniac 
tạo thành hợp chất nổ. 
 6Cl2 + 12NH3 = NCl3 + 9NH4Cl + N2 
 Clo tác dụng với oxyt cacbon có chất xúc tác hay ánh sáng mặt trời tạo thành phôt-
gen là chất rất độc: 
 Cl2 + CO = COCl2 
 Hợp chất clo với oxy có những dạng sau: oxyt clo Cl2O, bioxyt clo ClO2 màu vàng 
tối dễ nổ, oxy hóa mạnh. Clo rất độc với cơ thể con người và có thể gây chết người. 
Nếu ta thở trong không khí chứa 0,1 – 0,2 mg/l clo trong thời gian 30’ có thể chết 
được. Theo tiêu chuẩn vệ sinh thì hàm lượng clo trong không khí ở phòng sản xuất 
không vượt quá 0,001mg/l. 
1.2.2. Xút 
 Xút khan nóng chảy ở 3160 và sôi ở 13850, ở trạng thái nóng chảy nhiệt độ 340 – 
3500C trọng lượng riêng của nó là 1,8 – 1,9 g/cm3. 
 Xút hòa tan nhiều trong nước, độ hòa tan tăng theo nhiệt độ. 
 Bảng 4: Nồng độ xút trong dung dịch theo nhiệt độ 
 Nhiệt độ 0C 10,3 18 40,2 57,8 64,3 72 80 100 
 Nồng độ xút trong 
 50,8 51,7 56,4 62,8 68,5 74,2 75,3 78,2 
 dung dịch 
 6
 100 
 80 
 A 
 60 NaOH 
 C C 
 0
 40 NaOH.H2O 
 20 O
 C B NaOH.2H2O 
 0 NaOH.3,5H2O 
 NaOH.5H O 
 -20 G 2
 D 
 E NaOH.7H2O 
 Nhiệt độ -40 10 20 30 40 50 60 70 80 90 
 Nồng độ xút trong dung dịch % 
 Hình 1: Biểu đồ trạng thái hệ thống NaOH – H2O 
 Đường cong đẳng áp trên biểu đồ cho ta thấy rằng nếu làm lạnh ví dụ: dung dịch 
 0
xút 57% khi 42 thì những tinh thể NaOH. H2O bắt đầu tách ra. 
 Nếu cứ tiếp tụ ... ính toán 
phức tạp hơn. Tùy theo cách bố trí điện cực mà ta có công thức tính toán khác nhau. 
Ta xét điện thế rơi trên anôt hình 39: 
 106
 Hình 39: 
 Trong hai trường hợp xếp đặt như trên toàn bộ dòng điện chỉ đi qua những phần 
khác nhưng không đi trong dung dịch. Còn ở phần điện cực nhúng trong dung dịch thì 
dòng điện sẽ phân nhánh đi vào dung dịch. Cường độ dòng điện thay đổi theo chiều 
cao điện cực cho nên nếu bố trí theo hai thì toàn bộ điện thế rơi ở anôt sẽ tính theo 
công thức: 
 rl1 rl2 I
 Vdiencuc I  
 S1 S2 2
 r: Điện trở riêng của anôt 
 l1: Chiều dài đoạn không nhúng trong chất điện giải 
 S1: tiết diện đoạn không nhúng trong chất điện giải 
 l2, S2: chiều dài và tiết diện đoạn nhúng trong chất điện giải 
 I: Cường độ dòng điện tổng 
 Nếu bố trí theo 1 thì: 
 rl1I rl3 I
 Vdiencuc  
 S1 S 2 4
 Những tính toán trên cũng có thể dùng cho catôt nhưng trong điện phân muối ăn 
catôt bằng thép điện trở nhỏ do đó điện thế rơi không đáng kể ta bỏ qua. 
 5- Điện thế rơi ở màng Vmàng 
 6- Điện thế rơi ở tiếp xúc Vtiếp xúc 
 7- Điện thế khuếch tán, không đáng kể. Ví dụ lấy thùng kiểu x2 làm ví dụ có những 
số liệu sau: 
 107
 10. Catôt lưới: 
 Chu vi 176mm, chiều sâu nhúng trong chất điện giải 77,8mm 
 Phần trăm điện cực bị lỗ chiếm 32% 
 Diện tích một mặt catôt: 
 176 77,8 100 32 
 0,931m 2 
 10.000 100
 Bề mặt tổng cộng: 
 - Mặt trước: 0,931m2 
 - Mặt sau: 0,931m2 
 - Do đục lỗ: 0,986m2 
 20. Anôt grafit: 
 Tiết diện anôt: 4,8 x 4,8 
 Số anôt trong thùng: 24 thanh 
 Chiều sâu nhúng trong dung dịch: 77,8cm 
 Chiều sâu không nhúng vào dung dịch: 7,4cm 
 Tiết diện đầu anôt: 9,72cm2 
 Bề mặt phần nhúng vào dung dịch( một mặt): 
 0,778x0,048x24 = 0,896m2 
 Cả 4 mặt: 0,896x4 = 5,584m2 
 30. Màng: Bằng cactong amian dày 1,2mm. 
 40. Anôtlit: 
 Thành phần: NaCl 260g/l 
 NaClO 0,013g/l 
 Cl2 0,264g/l 
 Nhiệt độ 700C 
 Khoảng cách giữa anôt và catôt 2,4cm 
 Tiết diện trung bình của chất điện giải mà dòng điện đi qua: 
 168,5x77,8 = 13,109 cm2. 
 50. Cường độ dòng điện đi qua thùng điện phân 1000A. Điện thế giữa anôt và catôt 
là 3,6V. 
 GIẢI 
 108
a. Điện thế catôt( phía quay về anôt): 
 1000
 D 1074 A/m2. 
 Min 0,931
Tương ứng với 1,26V( tra bảng kể cả quá thế) 
 1000
 D 351A / m 2 
 Min 2,848
Tương ứng với điện thế 1,65V. 
b. Điện thế anôt quay về phía catôt 
 1000
 D 1116A/ m 2 tương ứng với điện thế 1,68V. 
 Max 0,896
 1000
 D 279A/ m 2 tương ứng với điện thế 1,61V. 
 Min 3,584
c. Điện thế rơi trong chất điện giải 
Độ dẫn điện riêng của dung dịch NaCl 260g/l ở 700C là 0,45430: 
 1 2,4 1000
 V 0,40V 
 0,4543 13109
d. Điện thế rơi của màng: 0,14V 
e. Điện thế rơi ở anôt 
Điện trở riêng của anôt grafit: 0,000805 m-1Ω-1. Do đó điện thế rơi ở điện cực là: 
 l l I
V r 1 I r 2 
 S1 S2 2
 0,000805 7,8 1000 0,000805 7,4 1000 0,000805 77,8 1000
 9,72 24 4,8 4,8 2,4 4,8 4,8 24 2
 = 0,094V. 
l. Điện thế rơi ở tiếp xúc và catôt: lấy theo kinh nghiệm 0,1V. 
Thành lập bảng cân bằng sau: 
Bảng 22: 
 Điện thế thùng,V Thành phần Điện thế rơi, V 
 109
 Cực đại Cực tiểu 
 Điện thế anôt 1,68 1,61 
 Điện thế catôt 1,26 1,16 
 Điện thế rơi trong 
 Chất điện giải 0,40 0,40 
 3,6 
 Màng 0,14 0,14 
 Anôt 0,09 0,09 
 Tiếp xúc và catôt 0,10 0,10 
 Tổng 3,68 3,51 
 Trung bình 3,6 
2.2. Cân bằng điện lượng 
 2.2.1. Vào: Điện lượng đi vào xác định bằng số ampe giờ theo cường độ dòng điện 
trung bình và theo thời gian. Khi đo cường độ dòng điện tốt hơn hết là dùng dụng cụ tự 
ký. 
 2.2.2. Hao tổn điện lượng( phần ra): Gồm 3 phần: 
 a. Hao tổn do tạo thành xút ( Hay Na trong hỗn hống) và Cl2 
 b. Cho phản ứng phụ 
 c. Mất điện do cách điện không tốt 
 Ta nghiên cứu kỹ từng thành phần: 
 a) Tiêu hao để tạo thành kiềm và clo: 
 Dễ dàng tính được theo định luật Faraday: 
 Theo lý thuyết thì 1 ampe giờ sinh ra: 
 0
 1,493 gam NaOH; 1,323 gam Cl2 hay 0,4116 lít ở 0 C và 760 mmHg. Hay: 
 0
 0,0376 gam H2 hay 0,4184 lít ở 0 C và 760 mmHg. 
 b) Tiêu hao do phản ứng phụ: 
 Trong thùng điện phân với catôt rắn và dung dịch điện giải chuyển động hao tổn 
điện lượng cho phản ứng phụ chủ yếu là do tác dụng clo với kiềm và do các ion không 
phải Cl phóng điện ở anốt. 
 Khi ấy có những phản ứng sau: 
 110
 Cl2 + H2O = HCl + HClO (1) 
HCl + HClO + 2MeOH = MeCl + MeClO + 2H2O (2) 
 Như vậy cứ tạo thành một phân tử gam hypoclorit tốn hai phân tử xút tức là hao tổn 
2 Faraday( vì tạo thành một phân tử xút hao tổn 1 Faraday). 
 Nhưng bản thân hypoclorit có thể biến thành clorat do phản ứng hóa học hay điện 
hóa học. 
 Phản ứng hóa học: 
 2HClO + MeClO = MeClO3 + 2HCl (3) 
 Cho nên tạo thành một phân tử gam MeClO3 theo kiểu hóa học tiêu tốn 6 phân tử 
gam xút. Tạo thành clorat theo phương pháp điện hóa tiến hành như sau: 
 -
6ClO + 3H2O + 6F = 2HClO3 + 4HCl + 3O (4) 
2HClO3 + 4HCl + 6MeOH = 2MeClO3 + 4MeCl + 6H2O (5) 
 Tốn 12 phân tử xút cho phản ứng 4 và 6 phân tử xút cho phản ứng 5 tổng cộng là 
tốn 18 phân tử xút được 2 phân tử MeClO3. 
 Để xác định phần điện năng hao tổn để tạo thành clorat chỉ có thể tính theo cơ cấu 
hóa học. Bởi vì khi tạo thành 1 phân tử MeClO3 theo phương pháp điện hóa thì ở anôt 
 -
thoát ra 3 đương lượng gam oxy nghĩa là cũng bằng số Faraday tạo thành ClO3 theo 
phương pháp hóa học và điện hóa học. 
 -
 Như vậy khi ClO phóng điện ở anôt khí sẽ giàu oxy hay CO2, nhưng khi phân tích 
ta coi rằng oxy đó hoàn toàn do OH- phóng điện nên tổn hao do OH- phóng điện sẽ 
 -
tăng lên một lượng đúng bằng sai số ta đã bỏ qua ở phần trên khi giả thiết rằng ClO3 
tạo thành hoàn toàn theo phương pháp hóa học.. 
 Ở đây cần chú ý rằng vấn đề phức tạp nhất là chọn chỗ lấy mẫu phân tích. 
 - -
 Nếu lượng ClO và ClO3 căn cứ vào phân tích catôtlit có thể dẫn đến sai lầm do 
hoàn toàn khử hypoclorit ở catôt theo phản ứng: 
 MeClO + H2 = MeCl + H2O 
 Nếu lấy mẫu ở anôtlit trước khi tiếp xúc với H2 ở catôt thì vấp phải khó khăn là Cl2 
tác dụng với xút. Ngoài ra hao tổn điện còn do ion OH- phóng điện: 
 -
 4OH + 4F = 2H2O + O2 
 C + O2 = CO2 
 111
 Ngoài O2 do phản ứng điện hóa còn một phần oxy do không khí đưa vào nữa( vì 
thiết bị hở). Lượng này tính được dựa vào lượng khí nitơ thừa trong dung dịch. Tạo 
thành các hydroxyt: 
 CaCl2 + 2MeOH = Ca(OH)2 + 2MeCl 
 MgCl2 + 2MeOH = Mg(OH)2 + 2MeCl 
 FeCl2 + 2MeOH = Fe(OH)2 + 2MeCl 
 FeCl3 + 3MeOH = Fe(OH)3 + 3MeCl 
 Với thùng dùng catôt thủy ngân thì hao tổn dòng điện chủ yếu do tạo thành 
hyđroxyt ở catôt. 
 Ví dụ: Thành phần khí: 
 Cl2: 96%; O2: 1%; CO2: 1,5%; H2: 1,5%. Ta có thể tính được phần điện lượng tiêu 
hao để tạo thành H2. Bỏ qua lượng Cl2 hòa tan trong chất điện giải ta có thể viết được 
tỷ lệ: 
 [ (%Cl2) + 2(%O2) + (%CO2)]: 100 
 %H2 : X 
 X: % điện lượng hao tổn do thoát H2 
 1,5 100
 X 1,485% 
 96 2 1 2 1,5
 c) Dòng điện mất: theo đo lường và kinh nghiệm. Ví dụ: 
 Lấy thùng Hooker làm ví dụ: 
 Các chỉ tiêu: 
 1- Cường độ dòng điện 5000A 
 2- Lưu lượng nước muối đi vào 67,6 l/giờ 
 3- Phân tích nước muối 
 Bảng 23: 
 Thành phần g/l ptg/l ptg/giờ 
 NaCl 310 5,3 358 
 Na2CO3 0,1 0,000944 0,0638 
 Ca2+ 0,01 0,00025 0,0169 
 Mg2+ 0,005 0,000206 0,0139 
 112
 2- 
SO4 0,05 0,000521 0,0352 
 4- Lượng catôtlit ra khỏi thùng 55,13 l/giờ 
 5- Phân tích catôtlit: 
Bảng 24: 
Thành phần g/l ptg/l ptg/giờ 
NaOH 130 3,25 179 
NaCl 190 3,25 179 
Na2CO3 1,55 0,0146 0,804 
NaClO3 0,050 0,00047 0,0259 
 6- Phân tích anôtlit 
Bảng 25: 
Thành phần g/l ptg/l ptg/giờ 
NaCl 266 4,46 273 
NaClO 0,15 0,00201 0,1233 
NaClO3 0,15 0,00142 0,0871 
 7- Lượng anôtlit ứng với lượng catôtlit chảy ra trong 1 giờ: 61,36 g/giờ. 
 8- Phân tích khí clo 
Bảng 26: 
Thành phần % g/giờl ptg/giờ 
Cl2 98,5 6350 89,5 
CO2 0,3 11,92 0,271 
O2 0,5 14,37 0,450 
H2 0,4 0,804 0,402 
N2 0,3 7,55 0,27 
GIẢI 
 5000
Vào: 186,53 
 26,8
Ra: 
 113
 1- Để tạo thành 179 ptg NaOH ( theo bảng 24) tốn 179F. 
 2- Cho tạo thành ClO- (bảng 25): 
 0,1233 x 2 = 0,246 F. 
 3- Cho tạo thành clorat: 0,0871 x 6 = 0,5226 F 
 4- Tạo thành O2 trong khi không có lượng O2 do không khí mang vào. Lượng O2 
tạo thành do điện phân là 14,37 – 2,29 = 12,08 g 
 2,29 là lượng O2 mang vào do không khí. Điện lượng tiêu hao: 
 12,08
 4 1,51 F 
 32
 5- Tạo thành CO2: Lượng CO2 trong không khí không kể lượng CO2 hòa tan trong 
anôtlit rồi đến catôtlit tác dụng với xút là (bảng 26): 0,271 ptg. 
 Muốn tính lượng CO2 hòa tan trong dung dịch có thể căn cứ vào hàm lượng CO2 
trong nước muối và trong catôtlit( danh từ CO2 ở đây chỉ cacbonat). 
 Lượng CO2 do nước muối đưa vào: 0,064 ptg. 
 Lượng CO2 ở dung dịch catôt( đi ra): 0,804 ptg. 
 Vậy tổng lượng CO2 sinh ra là: 
 0,271 + (0,804 - 0,064) = 1,011 ptg. Tương ứng với: 
 1,011 x 4 = 4,044 F. 
 6- Trong dung dịch catôt CO2 bị trung hòa thành xút: 
 CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O 
 Nếu mỗi phân tử CO2 hòa tan tiêu hao 2F thì điện lượng tiêu tốn để tạo thành 
Na2CO3 là ( 0,804 – 0,064) x 2 = 1,48 F. 
 7- Để kết tủa các hyđroxyt kim loại nặng và kiềm thổ có trong nước muối: 
 Ca2+ = 0,0169 ptg cần 0,0169 x 2 = 0,0338 F 
 Mg2+ = 0,0139 ptg cần 0,0139 x 2 = 0,0278 F. Tổng cộng là 0,0619 F. 
 Bảng 27: Bảng cân bằng điện lượng 
 Vào Ra 
 Số Faraday % Các thành phần Số Faraday % 
 186,5 100 Tạo thành NaOH 179 96% 
 114
 NaClO 0,2466 
 NaClO3 0,5226 
 O2 1,50 
 CO2 4,044 
 Na2CO3 1,48 
 Kết tủa : Mg2+, Ca2+ 0,0016 
 Chưa rõ 1,044 
 186,5 100 Tổng 186,5 
 CHÚ THÍCH: 
 1- Trong phần tính toán bỏ qua mấy chi tiết: 
 - Không tính lượng Cl2 hòa tan và lượng NaOH cần thiết để trung hòa nó. 
 - Coi nước muối đi vào không có NaHCO3 
 179
 2- Hiệu suất dòng điện của thùng là: 100 96% 
 186,5
2.3. Cân bằng vật chất 
 Người ta dùng những số liệu đã dùng để tính cân bằng điện lượng. Tuy nhiên phải 
tính độ ẩm trong khí. Tốt hơn hết thì cân bằng vật chất thành lập theo từng nguyên tố 
riêng biệt. Nếu tính theo vật chất thì cùng một vật chất sẽ buộc phải tính theo nhiều 
mục tiêu hao: Ví dụ nước vừa phải tính trong cân bằng xút và trong cân bằng hyđro. 
 Phần vào gồm có: 
 - Na và clo cho vào theo nước muối hay muối. 
 - Hyđro theo nước ( của nước muối), Oxy theo nước (của nước muối) và một phần 
từ không khí. 
 - Azôt từ không khí. 
 - Cacbon từ anôt và một phần từ bicacbonat cho vào theo nước muối. 
 2+ 2+ 2+ 2- 
 - Tạp chất theo nước muối: Ca , Mg , Fe , SO4
 Phần ra: Phần ra bắt buộc phải tính theo tất cả các ion và vật chất, nhưng nội dung 
tính toán sẽ thay đổi tùy theo từng loại thùng điện phân. 
 Với thùng catôt rắn thì tính toán như sau: 
 + Phần ra của natri: Ở dung dịch catôt đi ra: 
 115
 - Tạo thành xút 
 - Theo NaCl chưa phân hủy 
 - Tạo thành NaClO 
 - Tạo thành NaClO3 
 - Tạo thành Na2CO3 
+ Phần ra của clo: dung dịch catôtlit và khí Cl: 
 - Do muối chưa phân hủy 
 - Tạo thành NaClO và NaClO3 
 - Tạo thành khí clo. 
+ Phần ra của hyđro: Ra theo catôtlit theo ẩm của khí clo và hyđro tạo thành H2; 
 - Tạo thành NaOH 
 - Theo nước của catôtlit 
 - Theo ẩm của khí clo và hyđro. 
 - Tạo thành khí hyđro 
 - Tạo thành các hyđroxyt của các kim loại kiềm thổ và các kim loại nặng. 
+ Phần ra của O2: 
 - Tạo thành NaOH 
 - Tạo thành NaClO 
 - Tạo thành Na2CO3 
 - Tạo thành Mg(OH)2, Ca(OH)2, Fe(OH)2 
 - Theo nước của catôtlit 
 - Theo ẩm của khí clo và hyđro. 
 - O2 trong khí clo 
 - Trong các muối sunfat. 
+ Phần ra của azôt: bằng lượng vào. 
+ Phần ra của cacbon: Tiêu hao cho: 
 - Tạo thành CO2 trong khí O2. 
 - Tạo thành CO2 đi theo catôtlit ở dạng cacbonat 
 - Tạo thành bùn. 
Ví dụ cân bằng natri tính trong một giờ đối với 1 thùng: 
- Vào: Na của NaCl trong nước muối vào: 23 x 358 = 8220 g/giờ 
 116
 Na của Na2CO3 trong nước muối vào: 25 x 2 x 0,0638 = 2,94 
 - Ra: Na của NaOH trong catôtlit: 23 x 179 = 4110 
 Na của NaCl trong catôtlit: 23 x 179 = 4110 
 Na của Na2CO3 trong catôtlit: 23 x 2 x 0,804 = 37 
 Na của NaClO3 trong catôtlit: 23 x 0,0259 = 0,595 
 Bảng 28: Cân bằng Na 
 Vào Ra 
 Thành phần g % Thành phần g % 
 Theo NaCl 8220 Theo NaOH 4110 
 Theo NaClO3 2,94 NaCl 4110 
 Na2CO3 37 
 NaClO3 0,595 
 Chưa rõ 34,655 
 Tổng 8222,94 8222,94 
 2.4. Cân bằng nhiệt lượng 
 Muốn tính cân bằng nhiệt lượng ta phải có những số liệu rút ra từ các cân bằng 
điện thế và vật chất: 
 Phải đo nhiệt độ của các chất cho vào, sản phẩm thu được, nhiệt độ bề mặt của 
thùng điện giải và nhiệt độ của môi trường xung quanh. 
 Nhiệt vào gồm có: 
 - Nhiệt mang vào của các vật chất đi vào thùng điện phân: Nước muối, khí bị hút 
vào, thủy ngân 
 - Nhiệt thoát ra ở trong thùng do dòng điện( hiệu ứng Jun) tính theo công thức: 
  
 Q 0,86 U A . Trong đó: 
 23,07n 
 I- Cường độ dòng điện trong thùng điện phân 
 U – Điện thế điện phân, V 
 A- Hiệu suất dòng điện tính bằng phân số( nhỏ hơn 1). 
 117
 ∆H- Biến thiên entanpi của vật chất phản ứng. 
 
 trong quá trình điện phân với catôt rắn thì ở nhiệt độ phòng có giá trị bằng 
 23,07n
2,32V, với catôt thủy ngân bằng 3,34V. Tuy nhiên cần phải để ý tới một phần dòng 
điện bằng I( I – A) tiêu hao để phân hủy nước. 
 
 Với phân hủy nước thì 1,48V . Vậy: 
 23,07n
   
 NaCl H 2O 
 Q 0,86 U A I B 
 23,07 23,07 
 3- Nhiệt phát ra do phản ứng hóa học và các quá trình phụ 
 - Nhiệt cháy anôt( tính lượng CO2 tạo thành trong khí và trong dung dịch). 
 Tạo thành 1 ptg CO2 ở thể khí thoát ra 94calo, ở thể hòa tan thoát ra 100 calo 
 - Phản ứng tác dụng clo với xút: Tạo thành hypoclorit và clorat sau đó chúng sẽ bị 
khử bởi H2 ở catôt nhất là NaClO( trong thùng catôt rắn màng lọc). 
 Cho nên ngoài nhiệt tạo thành hypoclorit: 
 2NaOH + Cl2 = NaCl + NaClO + H2O + 24,65 Kcalo 
 Còn phải tính nhiệt do khử nó bằng hyđro. Tiện nhất là tính cả hai quá trình luôn 1 
lần: 2NaOH + Cl2 = NaCl + NaClO + H2O 
 NaClO + H2 = NaCl + H2O 
 Tổng: 2NaOH + Cl2 + H2 = 2NaCl + 2H2O 
 Ở đây chú ý rằng toàn hệ thống lại quay về trạng thái ban đầu( tức là dung dịch 
muối ăn). Vậy có thể nói rằng tất cả điện năng tạo thành lượng NaOH và Cl2 rồi chúng 
phản ứng với nhau như trên đều hoàn toàn biến thành nhiệt cả. Do đó ta tính theo công 
thức sau: 
 - -
 Qclo = I XCl + ClO3 x 2,3t x 0,239 
 - - -
 XCl + ClO3 là phần điện lượng tạo thành ClO và ClO3 để chúng tiếp tục bị khử ở 
catôt (tính bằng phân số), thời gian t tính bằng giây. 
 Lượng cacbonat còn lại trong xút thường coi như không đáng kể. 
 Nhiệt ra: 
 1- Nhiệt do các sản phẩm mang ra: dung dịch xút, khí clo, khí hyđro, hơi nước, oxy 
và CO2 
 118
 2- Nhiệt hao tổn do bức xạ và đối lưu. 
 Bảng 29: 
Nhiệt vào Nhiệt ra 
Mục lục Kcal % Mục lục Kcal % 
Nhiệt do nước muối 772,8 41,5 Nhiệt lượng ra 
mang vào theo xút 874,0 47,1 
Nhiệt mang vào do theo clo 8,9 0,48 
không khí 0,3 0,02 theo H2 7,37 0,40 
Do hiệu ứng Jun 1034,6 55,8 theo CO2 0,04 
Nhiệt cháy anôt 12,81 0,71 theo không khí 0,12 0,01 
Nhiệt trung hòa CO2 theo hơi nước 11,86 0,64 
thành cacbonat 0,67 0,04 Bức xạ 333,0 18,6 
Nhiệt do thoát CO2 15,0 0,81 Đối lưu 610,0 32,7 
Nhiệt tác dụng clo 20,68 1,12 Không rõ 11,71 0,59 
với xút 
Tổng 1857 100 Tổng 1857 100 
 119