Tiểu luận nước Javen

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HÓA BÁO CÁO DỰ ÁN HÓA HỌC ỨNG DỤNG – APPLIED CHEMISTRY Đề tài Sản xuất nước Javen Lớp học phần 20N52 Sinh viên thưc hiện 1 Lê Tiến Linh Mã số 107200159 2. Nền kinh tế Việt Nam đang trên đà phát triển với những chính sách mở cửa và hội nhập, các ngành kinh tế trong nước ngày càng có nhiều cơ hội cũng như những thách thức để trưởng thành hơn. Điện hoá là một trong những ngành kinh tế có nhiều cơ hội với nhu cầu và sự thiết yếu ngày càng tăng.

GIỚI THIỆU ĐẠI CƯƠNG

KHÁI NIỆM

Nước Javen, hay còn gọi là Javen, là một hỗn hợp được hình thành từ hai loại muối NaCl và NaClO khi sục khí Clo vào NaOH (Natri Hydroxit) Công thức của nước Javen là NaClO, được biết đến như một chất oxy hóa mạnh mẽ, thường được sử dụng làm chất khử trùng và tẩy trắng Dung dịch NaClO có màu xanh nhạt, là một hợp chất không ổn định và dễ phân hủy trong điều kiện bình thường Nó bao gồm cation kim loại Natri (Na+) liên kết với Anion Hypochlorite (ClO-).

Nước Javen hay còn gọi là Chất khử trùng Javel (Hypochlorite NaOCl) 10%

 Công thức phân tử : NaOCl

 Màu sắc : Dung dịch màu vàng nhạt

ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC JAVEN

1.2.1 Nước Javen là một hợp chất có tính oxy hóa mạnh – chất tẩy rửa cực mạnh

NaClO, thành phần chính của Nước Javen, là một axit oxi hóa mạnh với số oxi hóa của Cl là +1 Nhờ vào khả năng oxi hóa mạnh mẽ, NaClO có thể làm giảm số oxi hóa của các chất, giúp loại bỏ hiệu quả các vết mực và màu dính trên quần áo và vật liệu Sự tác động của NaClO làm phá vỡ các hợp chất phức hữu cơ, mang lại khả năng tẩy sạch vết bẩn nhanh chóng.

1.2.2 Nước Javen là hỗn hợp có mùi xốc khi sử dụng

Trong môi trường axit, NaClO phản ứng theo phương trình NaClO + 2HCl

NaCl + Cl2 + H2O tạo ra khí Cl2, có mùi khó chịu và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người khi hít phải Do đó, cần thận trọng khi sử dụng hóa chất này.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NƯỚC JAVEN

2.1.1 Điều chế NaClO bằng Cl2

Bằng cách kết hợp khí clo (Cl2) với xút (NaOH), phản ứng hóa học diễn ra, tạo ra natri hypochlorite (NaOCl), nước (H2O) và muối (NaCl) Phương trình điều chế nước Javen được biểu diễn như sau: Cl2 + 2NaOH → NaOCl + NaCl + H2O Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt 60 độ C trở lên và sử dụng natri hydroxit đậm đặc, sản phẩm thu được sẽ không phải là natri hypochlorite mà là natri clorua, natri clorat và nước Phương trình phản ứng trong trường hợp này là: 3Cl2 + 6NaOH → 5NaCl + NaClO + 3H2O.

2.1.2 Điều chế bằng NaOH kết hợp với nước và điện phận

Điện phân dung dịch muối ăn NaCl dẫn đến việc giải phóng Hydro và Clo Clo sau đó phản ứng với NaOH, tạo ra hỗn hợp nước Javen, tương tự như quy trình điều chế Javen trong phòng thí nghiệm.

2.1.1.1.3 Điều chế nước Javen từ MnO2

Cách này phải sử dụng 2 phương trình phản ứng mới tạo thành NaClO thành phẩm Đầu tiên MnO2 tác dụng với axit HCl để tạo thành khí Clo

Tiếp đến lấy khí Cl2 tác dụng với NaOH để thu được NaClO

XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CHÍNH

 Công thức hóa học của natri hypochlorite là NaClO

 Khối lượng mol của nó là 74,44 g / mol.

 Công thức phân tử: Na + Cl-O –

 Có màu vàng (dung dịch) hoặc bột trắng (rắn), có mùi như khí clo.

 Không ổn định, bị phân hủy bởi ánh sáng.

 Natri hypochlorite là một chất oxy hóa mạnh Nó phản ứng với các axit protic như HCl, tạo thành muối và giải phóng khí clo độc hại.

Natri hypoclorit (NaClO) phản ứng với một số axit để tạo ra axit hypochlorous (HClO) Khi hòa tan trong nước, nó phân hủy thành các ion natri và clorua Ngoài ra, NaClO cũng phân hủy thành natri clorua và oxy.

 Các phản ứng của nước Javen với các hợp chất khác:

- NaClO tác dụng với axit ( acid oxalic, H2SO4,HCl )

H2SO4 + 2NaClO → Na2SO4 + 2HclO

- NaClO tác dụng với nước oxy già

- NaClO tác dụng với khí CO2 + H20

- NaClO tác dụng với NaOH

NaClO + 2NaOH + 2NH2Cl → 3H2O + N2 + 3NaCl

- NaClO tác dụng với kI

- NaClO tác dụng với dung dịch đệm PbS

- Tác dụng với kim loại hoạt động mạnh

XÂY DỰNG QUY TRÌNH

HÓA CHẤT, NGUYÊN LIỆU

Trong công nghiệp, người ta sản xuất nước Javen bằng cách điện phân NaCl.

SẢN PHẨM PHỤ, NGUYÊN TẮC AN TOÀN

Trong quá trình sản xuất nước javen, khí H2 sinh ra ở cathode kéo theo NaCl, gây ra hiện tượng ăn mòn trong nhà máy Tại anode, khí Cl2 được tạo ra, trong đó một lượng nhỏ không kịp phản ứng với NaOH sẽ thoát ra môi trường, tạo thành khí độc hại và tác nhân ăn mòn mạnh Để khắc phục tình trạng này, các nhà máy thường thiết kế bể điện phân kín hoặc sử dụng hệ thống hút khí để loại bỏ khí H2 lẫn NaCl và khí Cl2 thoát ra.

Natri hypoclorit, đặc biệt ở dạng cô đặc, có khả năng gây bỏng da và hủy hoại mắt Nước uống khử trùng bằng clo có thể tạo ra trihalomethane, một chất gây ung thư, khi ôxi hoá các chất hữu cơ Khi tiếp xúc với da, chất tẩy gia dụng và dung dịch khử trùng hồ bơi có thể gây kích thích ăn da hoặc bỏng do tác động của sự rút mỡ và xà phòng Nghiên cứu toàn châu Âu gần đây cho thấy natri hypoclorit và các hợp chất hữu cơ khác trong sản phẩm tẩy rửa có thể tương tác để tạo ra các hợp chất clo dễ bay hơi, một số trong số đó độc hại và có thể gây ung thư Nồng độ NACLO trên 40% được coi là nguy hiểm.

Bảng 1: Danh mục Globally Harmonized System [ 1 ]

STT Tên hóa chất GHS Cảnh báo

 Chất nguy hiểm cho môi trường

 Chất nguy hiểm cho môi trường

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH

NaClO được sản xuất thông qua quá trình điện phân nước biển tổng hợp (dung dịch NaCl 3%) hoặc nước biển trong một tế bào điện phân không phân chia Tế bào này sử dụng cực dương làm bằng Titan phủ oxit kim loại quý và cực âm bằng thép hoặc Titan Chất điện phân được bơm vào bể chứa với mức ổn định, từ đó được đưa đến đáy máy điện phân loại bể làm bằng PVC Việc cấp nước muối natri clorua từ bể cấp cố định giúp đảm bảo tốc độ cấp liệu đồng nhất cho tế bào Quá trình điện phân tạo ra clo ở cực dương và xút ở cực âm, và phản ứng hóa học giữa khí clo và dung dịch xút dẫn đến việc sản xuất NaClO tại chỗ.

NaCl → Na + + Cl - ; 2Cl - - 2e - → Cl2 (1). Ở canot:

Dung dịch NaClO được thu nhận từ đầu bình điện phân ở vị trí đối diện với điểm nạp liệu Hình ảnh minh họa quy trình sản xuất NaClO tại chỗ được trình bày rõ ràng.

1 Cụm điện cực được thể hiện trong Hình 2 Hình 3 cho thấy vị trí lắp ráp điện cực trong bể.

Hình 1: Quy trình điện phân liên tục

THIẾT KẾ BỂ ĐIỆN PHÂN

Sự thành công của công nghệ điện hoá phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu điện cực phù hợp, với yêu cầu về hoạt tính xúc tác điện và độ chọn lọc cao để đảm bảo tốc độ hình thành và độ tinh khiết của sản phẩm Vật liệu cần có độ ổn định tuyệt vời trong điều kiện mạch hở và phải có sẵn với chi phí hợp lý Việc lựa chọn thường dựa trên sự dung hòa giữa hoạt động, tính chọn lọc và chi phí, trong đó một chất xúc tác điện có độ ổn định thấp có thể kém hấp dẫn hơn so với chất liệu có tính chất xúc tác thấp nhưng ổn định hơn nhiều.

Cực dương trong quá trình điện phân NaClO chủ yếu liên quan đến phản ứng của clo, với lưới mở rộng bằng titan phủ oxit kim loại quý là vật liệu lý tưởng Phản ứng tiến hóa clo diễn ra với điện thế thấp và hiệu suất dòng điện cao, đồng thời điện cực này có tính ổn định hóa học tốt trong chất điện phân Cấu hình lưới mở rộng giúp tách các bọt khí hiệu quả khi chúng hình thành trên bề mặt điện cực.

Vật liệu cathode có thể là thép nhẹ hoặc lưới titan, nhưng thép nhẹ không bền trong môi trường nước muối yếu, dẫn đến hiện tượng ăn mòn và ô nhiễm chất điện phân Titan được coi là vật liệu cathode tốt nhất Phản ứng tại cathode bao gồm sự tiến hóa hydro và tạo ra ion hydroxit, kết hợp với ion canxi và magiê trong nước thô và natri clorua, tạo thành cặn hydroxit trên bề mặt cathode Lớp cặn này làm tăng điện trở và điện thế tế bào Để duy trì hiệu suất, cần rửa bình điện phân định kỳ bằng dung dịch axit clohydric loãng để loại bỏ cặn.

Hình 2: Lắp ráp điện cực

Hình 3: Bể điện phân NaCl tạo thành nước Javen gián đoạn

TỐI ƯU HÓA SẢN XUẤT

Để tối ưu hóa sản xuất cho máy điện phân quy mô thương mại, một máy điện phân quy mô phòng thí nghiệm đã được thiết kế và chế tạo bằng PVC Dựa trên các nghiên cứu tối ưu hóa, máy này đã được mở rộng đến kích thước thương mại Quá trình điện phân dẫn đến sự tích tụ hydroxit, tạo thành một lớp cặn mỏng trên bề mặt catốt, làm tăng điện trở và điện thế tế bào Cặn này có thể được loại bỏ dễ dàng bằng cách rửa bình điện phân định kỳ bằng dung dịch axit clohydric loãng.

XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN SẢN XUẤT HỢP LÝ

Biểu đồ cho thấy rằng nồng độ NaClO tăng khi mật độ điện tích tăng từ 10mA/cm2 đến 50mA/cm2, nhưng sẽ giảm khi mật độ điện tích vượt quá 50mA/cm2 Do đó, mật độ điện tích tối ưu để thu được NaClO với nồng độ cao là 50mA/cm2.

Hình 4: Ảnh hưởng của mật độ dòng điện đến NaClO[ 2 ] 3.6.2 Tốc độ dòng chảy

Dựa theo biểu đồ, ta thấy nồng độ NaClO tăng dần từ 0.5 L.h -1 đến 3.6L.h -1 rồi bắt đầu giảm nên tốc độ dòng tối ưu là 3.6 L.h -1

Hình 5: Ảnh hưởng tốc độ dòng chảy đến nồng độ NaClO[ 3 ] 3.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Dựa vào biểu đồ, ta thấy nồng độ NaClO giảm dần khi nhiệt độ tăng từ 302K Vì vậy trong quá trình điện phân cần duy trì ở nhiệt độ từ

Hình 6: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến nồng độ NaClO[ 4 ]

ƯU NHƯỢC ĐIỂM TRONG ĐIỆN PHÂN NƯỚC MUỐI ĐỂ SẢN XUẤT NƯỚC JAVEN

Chỉ cần sử dụng muối ăn, điện và nước, chúng ta có thể tạo ra dung dịch khử trùng hiệu quả cao Javen điện phân có hiệu quả khử trùng vượt trội hơn so với Clo lỏng cùng nồng độ, nhờ vào khả năng duy trì Clo trong dung dịch lâu hơn Việc cấp định lượng chính xác vào nước giúp tiết kiệm chi phí vận chuyển và chủ động trong việc cung cấp hóa chất Hệ thống này cũng an toàn cho nhân viên kỹ thuật, vì Clo hoạt tính chỉ tồn tại trong dung dịch và được bảo quản trong các thùng nhựa kín, đồng thời thân thiện với môi trường.

Yêu cầu muối ăn sử dụng phải tương đối sạch, độ sạch ≥ 97% và định kỳ bảo dưỡng máy để tránh hiện tượng gây tắc điện cực điện hóa.

TIÊU CHUẨN TRÍCH DẪN

Tiêu chuẩn TCVN 1694 – 75 quy định về việc lấy mẫu và chuẩn bị mẫu cho sản phẩm nước Javen (Sodium hypochlorite) dạng lỏng với nồng độ 8%, 10% và 12%, được sản xuất bởi Công ty cổ phần Hóa chất Việt Trì.

TCVN 4851 – 89 quy định về nước dùng trong phân tích phòng thí nghiệm, đảm bảo độ tinh khiết cần thiết cho các thí nghiệm TCVN 1058 – 86 hướng dẫn phân nhóm và ký hiệu mật độ tinh khiết của hóa chất, giúp người sử dụng dễ dàng nhận diện và sử dụng đúng loại hóa chất TCVN 4374 – 86 đưa ra phương pháp chuẩn bị dung dịch chỉ thị cho các thử nghiệm hóa học, đảm bảo độ chính xác trong phân tích Cuối cùng, TCVN 1055 – 86 quy định phương pháp chuẩn bị các loại thuốc thử dung dịch và hỗn hợp, hỗ trợ trong quá trình hóa phân tích.

TCVN 5507 – 2002 Hóa chất nguy hiểm – Quy phạm an toàn trong sản xuất, sử dụng, bảo quản và vận chuyển

Bảng 2: Chỉ tiêu và mức chất lượng của nước Javen [ 5 ]

Mức chất lượng Loại 8% Loại 10% Loại 12%

1 Ngoại quan Chất lỏng trong, màu vàng

2 Tỷ trọng ở nhiệt độ 25 độ C

4 Hàm lượng xút dư (NaOH)

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỔNG HỢP

4.1.1 Lắp đặt bể điện phân

Chuẩn bị thùng xốp và khoét một lỗ vừa với miệng cốc 1 lít Kết nối dây điện màu xanh với 2 điện cực cathode bằng thép không rỉ và dây điện màu đỏ với điện cực anode bằng than chì, sau đó nối các dây vào cực âm và cực dương của máy chỉnh lưu, chú ý không để dây điện dính vào nhau để tránh đoản mạch Đặt điện cực anode ở giữa hai điện cực cathode trong cốc, đảm bảo phần chìm trong dung dịch có diện tích 0,67dm² mà không để dây điện chạm vào nước Sử dụng đồng hồ vạn năng để đo cường độ dòng điện và máy chỉnh lưu để điều chỉnh dòng điện xoay chiều sang một chiều, theo dõi hiệu điện thế Cuối cùng, cắm nhiệt kế vào cốc thủy tinh để theo dõi nhiệt độ mà không va chạm vào các điện cực, sử dụng dòng điện 3.58A/dm² cho quá trình điện phân.

Hình 8: Bể điện phân 4.1.2 Chuẩn bị dung dịch điện phân và hóa chất phân tích

Pha 500ml dung dịch nước muối NaCl 5% và cho dung dịch này vào cốc thủy tinh 1 lít đã được lắp đặt sẵn các điện cực Thêm 0,2g chất phụ gia vào dung dịch vừa pha để hoàn thiện quy trình.

K2Cr2O7 Thêm 10ml dung dịch NaOH 0,1N để đảm bảo pH của dung dịch luôn đạt từ 9-10 tránh trường hợp ClO - chuyển thành ClO 3- và Cl -

Tiến hành pha 1000ml dung dịch Na2S2O3 (Natri thiosunfat), 200ml dung dịch KI 10%, 300ml dung dịch HCl 0,1N và 20 ml hồ tinh bột

Hình 9: Pha dung dịch Acid Sunfuric 4.1.3 HClBảng dụng cụ hóa chất

STT Tên dụng cụ Số lượng

11 Đồng hồ vạn năng 1 cái

Bảng 4: Bảng hóa chất cần dùng

STT Tên hóa chất Số lượng

SẢN XUẤT THỬ, ĐỘ LẶP LẠI CỦA QUÁ TRÌNH

4.2.1 Tiến hành sản xuất lần 1

Sử dụng dung dịch nước muối 3% kết hợp với 0,2g chất phụ gia K2Cr2O7 trong cốc điện phân 1 lít, quá trình điện phân đã thu được kết quả như bảng dưới đây.

Bảng 5: Nồng độ NaClO theo thời gian

Ngày 1: Nồng độ nước javen thấp, chưa đạt yêu cầu Nguyên nhân: Nhiệt độ cao và cường độ dòng điện chưa đạt Biện pháp: Duy trì nhiệt độ ở 27-30 độ C, nâng cường độ dòng điện lên.

4.2.2 Tiến hành sản xuất lần 2

Sử dụng dung dịch và phụ gia tương tự như lần đầu, nhưng tăng cường cường độ dòng điện và duy trì nhiệt độ trong khoảng 27 đến 30 độ C, chúng ta thu được kết quả như bảng dưới đây.

Bảng 6: Nồng độ NaClO theo thời gian

Ngày 2: Nồng độ nước javen thu được gần đạt được theo yêu cầu.

Nguyên nhân: Do pH trong nước javen thấp do chứa nhiều ion H+

Cách khắc phục: -Thêm 10ml dd NaOH 0,1N vào dd NaCl trước khi điện phân. Vẫn duy trì nhiệt độ từ 27-30 độ C.

Nâng nồng độ NaCl lên 5%.

4.2.3 Tiến hành sản xuất lần 3

Sử dụng dung dịch NaCl 5% đã kiềm hóa bằng dung dịch NaOH 0.1N và 0.2 phụ gia K2Cr2O7 và tiến hành điện phân Ta thu được kết quả như bảng sau:

Bảng 7: Nồng độ NaClO theo thời gian

Ngày 3: Nồng độ nước javen là 1.996% NaClO so với yêu cầu là 2% Nguyên nhân: Do nhiệt độ môi trường cao, trong quá trình lấy mẫu chuẩn độ thì do nhiệt độ cao nên ClO- chuyển thành ClO3- và Cl- nên nồng độ ClO- giảm Điều đó giải thích cho việc khi chuẩn độ nước javen đến điểm tương đương thì màu của nước javen có màu vàng bền của CLO3- và Cl-.

Hình 10: Đồ thị biểu diễn nồng độ NaClO theo thời gian

KẾT QUẢ LIÊN QUAN ĐẾN SẢN PHẨM THU ĐƯỢC TỪ THỰC NGHIỆM

Trong quá trình sản xuất tại phòng thí nghiệm, chúng tôi đã tạo ra nước Javen với nồng độ 1,96% Dung dịch này có màu vàng nhạt và mùi hắc giống như khí Clo Với nồng độ này, nước Javen được sử dụng hiệu quả để tẩy trắng sợi vải, quần áo bảo hộ lao động và ga trải giường.

4.4 ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ THU ĐƯỢC VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ

Sau quá trình thực nghiệm, dựa trên kết quả thu được Nhóm chúng em đã tiến hành tính toán và tối ưu hóa các chi phí.

Quá trình thực nghiệm cho thấy nước muối 5% giúp rút ngắn thời gian điện phân so với nước muối 3% trong cùng điều kiện Dưới đây là bảng tính toán chi phí sản xuất 500ml nước Javen.

Bảng 8: Chi phí nguyên liệu để sản xuất 500ml nước Javen

Nguyên liệu Khối lượng Giá thành Thành tiền

NaCl tinh khiết 50g 11 nghìn đồng/ kg 550 đồng

K2Cr2O7 0.2g 550 nghìn đồng/kg 110 đồng

NaOH 20ml 75 đồng/ lít 15 đồng Điện năng 45Wh 2.66 nghìn đồng/ kWh 120 đồng

Bảng 9: Chi phí hóa chất đánh giá nước Javen

Tên hóa chất Khối lượng Giá thành Thành tiền

HCl 0,1N 300ml 500 đồng/ lít 166 đồng

Na2S2O3 100g 170 nghìn đồng/ kg 17 nghìn đồng

Hồ tinh bột 10g 240 nghìn đồng/ kg 2.4 nghìn đồng

KI 30g 1 triệu đồng/ kg 30 nghìn đồng

Chi phí trên chưa bao gồm chi phí đầu tư cố định ban đầu, chi phí nhân công, chi phí vận chuyển, bao bì, phân phối, vận chuyển…

Trên thị trường hiện nay giá bán một chai nước Javen 500ml có giá dao động từ

8000 đến 12000 đồng So với chi phí nguyên liệu ta có thể thấy lời nhuận kinh tế của việc sản xuất nước Javen trong công nghiệp là tương đối cao.

THIẾT KẾT BAO BÌ, GIƯỚI THIỆU SẢN PHẨM VÀ POSTER

Nắm bắt thị hiếu của người tiêu dùng, nhóm chúng em đã thiết kế mẫu bao bì mới cho sản phẩm nước Javen.

Hình 11: Bao bì sản phẩm 4.5.2 Giới thiệu sản phẩm

Nước tẩy đậm đặc Javen, được sản xuất tại phòng thí nghiệm trường Đại học Bách khoa, sở hữu nhiều công dụng ưu việt như tẩy trắng, làm sạch vết bẩn, diệt khuẩn và khử mùi Sản phẩm này hiệu quả trong việc xử lý các vết bẩn và vết ố trên đồ dùng bằng vải trắng, đồ sứ, đồ nhựa, cũng như các vật dụng trong phòng tắm như bồn tắm, bồn cầu, sàn nhà và các bề mặt khác tại nhà ở, nhà hàng, quán ăn, bệnh viện, trường học, văn phòng, nhà ga và nơi công cộng.