Sản Xuất NaOH Bằng Ca(OH)₂: Phương Pháp Xút-Vôi Chi Tiết

Natri Hydroxit (NaOH) - xút ăn da đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất giấy, xà phòng, dệt, hóa chất,... Hiện nay, NaOH thường được điều chế bằng hai phương pháp chính là điện phân và xút vôi. Trong đó Ca(OH)2 là bazơ mạnh chuyển hóa Na2CO3 thành NaOH và tạo ra CaCO3 kết tủa. Bài viết sau của Gia Hoàng sẽ cung cấp những thông tin chi tiết về cơ chế, quy trình và những yếu tố ảnh hưởng tới quy trình sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂.

1. Tổng quan về phương pháp xút-vôi (Causticization)

Hiện nay, để sản xuất NaOH người ta thường áp dụng phương pháp xút vôi hay còn gọi là Causticization. Dưới đây là định nghĩa và phương trình phản ứng chi tiết:

1.1. Định nghĩa và nguyên tắc cơ bản khi sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂

Xút - vôi cũng được coi là cách truyền thống để tạo ra Natri Hydroxit rắn sau khi cô đặc. Về cơ bản Causticization hay còn gọi là xút hóa/điện phân là một quá trình chuyển muối NaCl của kim loại thành Hidroxit tương ứng. Với nguyên liệu đầu vào gồm có Na2CO3 và Ca(OH)2 khi phản ứng với nhau sẽ tạo thành NaOH + CaCO3. 

Sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂ là phương pháp truyền thống

1.2. Phản ứng hóa học then chốt

Trong phương pháp sản xuất NaOH này Ca(OH)2 có vai trò là bazơ để tạo ra Natri Hydroxit. Cụ thể:

Na2CO3 + Ca(OH)2 => 2NaOH +CaCO3

Trong quy trình xút - vôi nêu trên Ca(OH)2 đóng vai trò như tác nhân xút hóa, đồng thời cung cấp Ca để kết tủa CO3 dưới dạng CaCO3. Qua đó giúp cân bằng phản ứng dịch chuyển để tác dụng diễn ra gần như hoàn toàn hết. Nhờ vậy thu được dung dịch cuối cùng là NaOH tinh khiết hơn và CaCO3 là sản phẩm phụ kết tủa.

Xem thêm: Vôi tôi xút là gì? Tính chất và ứng dụng trong xử lý nước thải

2. Vai trò cốt lõi và yêu cầu kỹ thuật của Ca(OH)2

Để thu được NaOH tinh khiết nhất đòi hỏi nguyên liệu đầu vào phải đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng. Bao gồm:

2.1. Đặc tính của Ca(OH)2 (Vôi tôi)

Về cơ bản Ca(OH)2 hoạt tính chủ yếu dựa vào độ mịn, tinh khiết, hòa tan. Bởi khi những đặc tính đó càng tốt sẽ tăng hiệu quả trong việc tạo kết tủa, trung hòa axit và điều chỉnh độ pH. Chính vì thế đây là yếu tố quan trọng cần được chú ý trong quá trình sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂.

Bên cạnh đó, sự khác biệt chính của vôi sữa và vôi khô chính là ở hàm lượng nước. Đồng thời trạng thái vật lý của vôi lỏng là dung dịch còn vôi tôi là bột trắng khô ráo. Về cơ bản vôi rắn được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công nghiệp như để xử lý nước, sơn,...

Vôi tôi có độ tinh khiết và độ mịn cao

2.2. Yêu cầu chất lượng nguyên liệu

Như đã nêu trên, sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂ nguyên liệu đầu vào cần phải đáp ứng đầy đủ những tiêu chuẩn chất lượng. Cụ thể:

• Độ mịn: Hạt có độ mịn cao đồng nghĩa diện tích bề mặt càng lớn, càng dễ tiếp xúc với môi trường phản ứng. Nhờ vậy tăng tốc độ hòa tan và tăng hiệu quả xử lý trong quá trình sử dụng.
• Độ tinh khiết: Sự xuất hiện của tạp chất sẽ làm giảm hiệu quả hoạt động, làm thay đổi nhiệt độ phân hủy, khiến tốc độ phản ứng chậm. Thông thường màu sắc Ca(OH)2 có thể ngả vàng khi bị lẫn tạp chất. Do đó cần sử dụng vôi tôi có độ tinh khiết cao từ 95% để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả.
• Khả năng hòa tan: Độ hòa tan vôi tôi có thể giảm khi nhiệt độ nước tăng và tốt hơn khi tiếp xúc với nước lạnh. Đồng thời, Ca(OH)2 cũng dễ tan được trong H2O tạo ra nước vôi có tính kiềm mạnh. Dung dịch được dùng để điều chỉnh độ pH và kết tủa.

Xem thêm: Cách sản xuất NaOH: Quy trình công nghiệp, phương pháp điện phân và các yếu tố ảnh hưởng

3. Quy trình công nghệ sản xuất NaOH bằng Ca(OH)2

Trên thực tế các bước sản xuất Natri Hydroxit chính là sử dụng phản ứng hóa học giữa Na2CO3 với Ca(OH)2. Quy trình sẽ bao gồm từ việc chuẩn bị nguyên liệu đầu vào cho tới giai đoạn phản ứng và tách, xử lý bùn vôi. Cụ thể:

3.1. Chuẩn bị vôi sữa

Trong quá trình này vôi sống sẽ biến đổi thành Ca(OH)2. Nó sẽ được tạo ra từ việc cho CaO phản ứng với nước để tạo thành vôi sữa. CaO cũng ít tan trong nước nên thu được vôi sữa, vì thế phản ứng nêu trên còn được gọi là tôi vôi. Tuy nhiên, nồng độ CaO cần được kiểm soát không quá loãng khiến phản ứng chậm, hoặc quá đặc khiến CaCO3 bám dính khó quấy trộn.

Hình ảnh vôi sữa

3.2. Giai đoạn phản ứng xút hóa

Đây là quá trình chuyển đổi Na2CO3 để tạo thành NaOH, phản ứng được thực hiện bằng cách cho dung dịch Na2CO3 + Ca(OH)2. Trong quy trình này lò phản ứng sẽ khuấy liên tục để tránh vón cục cũng như giúp hóa chất tan đều. Đồng thời cần kiểm soát nhiệt độ trong khoảng từ 80 - 100 độ C để tăng tốc độ hòa tan và phản ứng. Nồng độ NaOH cũng cần duy trì dưới 12% nhằm tránh không gây ra phản ứng ngược.

Để giới hạn hiệu suất chuyển hóa trong phản ứng ở các nồng độ NaOH khác nhau người ta thường ký hiệu X, Y, K và G. Trong đó X là NaOH, Y là nhiệt độ, K cân bằng và G thay đổi năng lượng. Việc thay đổi nhiệt động lực theo từng giai đoạn phản ứng nhất là các phản ứng thủy phân hay axit bazo.

3.3. Tách và xử lý bùn vôi

Như đã nêu trên trong quá trình sản xuất sẽ tạo ra NaOH và CaCO3. Mục đích của việc này chính là giúp loại bỏ CaCO3 rắn ra khỏi dung dịch NaOH để thu xút tinh khiết. Quy trình sẽ bao gồm từ việc rửa bùn để thu hồi NaOH và lọc CaCO3 dạng rắn để loại bỏ. Phần NaOH loãng sẽ không thải mà được tái sử dụng lại.

CaCO3 dạng rắn sau quá trình sẽ được loại bỏ

Ngoài ra, khi bùn vôi được khử trùng CaCO3 có thể được tái sinh bằng cách nung. Sau đó bùn này có thể được dùng làm phụ gia vật liệu xây dựng hoặc nguyên liệu để cải tạo đất. Cụ thể nung CaCO3 sẽ tạo ra được vôi sữa quá trình sẽ quay lại giai đoạn xút hóa. Đây là một phản ứng hoàn toàn khép kín nên giúp tiết kiệm nguyên liệu hiệu quả.

4. Hiệu suất, ưu điểm và hạn chế của phương pháp xút - vôi

Hiện nay, phản ứng này được đánh giá có hiệu suất chuyển hóa cao. Tuy nhiên, phương pháp cũng còn tồn tại có những ưu và nhược điểm riêng. Cụ thể:

4.1. Hiệu suất chuyển hóa

Về cơ bản phản ứng sẽ có quy trình Na2CO3 + Ca(OH)2 => 2NaOH + CaCO3. Xét theo góc độ hóa học hiệu suất này xảy ra gần như hoàn toàn, chỉ CaCO3 ít tan nên bị tách ra khỏi dung dịch. Mặc dù cao nhưng việc sản xuất CaCO3 vẫn không đạt được 100% mà chỉ dừng lại ở 90 - 95%. Điều này là bởi Ca(OH)2 không phản ứng hết, mặt khác NaOH còn bám lại trong bùn CaCO3 và còn tổn thất trong các công đoạn tách rửa.

4.2. Ưu điểm sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂

Hiện nay, phương pháp sản xuất NaOH được ứng dụng rất phổ biến bởi có nhiều ưu điểm. Trong đó, phải kể đến nguyên liệu CaCO3 đầu vào dễ kiếm với trữ lượng lớn và có chi phí thấp. Hơn nữa, quy trình vận hành tương đối đơn giản, dễ hiểu phù hợp ứng dụng truyền thống.

Ưu điểm của phương pháp xút-vôi chính là quy trình đơn giản

Bên cạnh đó, hiệu suất phản ứng cũng gần như xảy ra hoàn toàn do CaCO3 không tan sẽ được loại khỏi dung dịch. Vôi sinh ra còn được tái sinh lại sau quá trình nung lại thành CaO. Đặc biệt là không cần tới nguồn điện năng lớn nên giúp tiết kiệm nhiên liệu và chi phí.

4.3. Nhược điểm

Mặc dù là phương pháp sản xuất có nhiều ưu điểm nhưng vẫn còn tồn tại một số hạn chế nhất định. Trong đó bao gồm cả lượng thành phẩm NaOH đầu ra có độ tinh khiết thấp hơn do lẫn Na2CO3 còn dư. Mặt khác do phát sinh lượng bùn thải CaCO3 lớn nên đòi hỏi cần có các biện pháp xử lý phù hợp. Ngoài ra, lượng NaOH thu được cũng không quá cao chỉ trong khoảng từ 10% đổ lên. Hơn nữa, còn tiêu tốn năng lượng cho việc cô đặc nên ngày nay cách điều chế này không còn phổ biến trong công nghiệp.

5. Bối cảnh ứng dụng hiện đại và so sánh

Hiện nay, cách sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂ vẫn được sử dụng trong một số ngành nhất định. Cụ thể:

5.1. Ứng dụng thực tế của phương pháp xút-vôi

Hiện nay, mặc dù Ca(OH)2 không được dùng để sản xuất cho quy mô lớn nhưng vẫn có những ứng dụng quan trọng. Trong đó nổi bật như duy trì trong các nhà máy sản xuất giấy, bột giấy với tác dụng tái sinh hóa chất trong chu kì Kraft. Điều này là bởi phương pháp sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂ đem lại lợi ích sau:

• Quy trình không phải sản xuất thương mại mà chỉ là tái sinh.
• Không đòi hỏi nồng độ tinh khiết mà chỉ cần ở nồng độ phù hợp hay tinh chế cao.
• CaCO3 không phải là chất thải mà được tái sinh lại giúp giảm lượng chất thải rắn.
• Tận dụng được lượng nhiệt và năng lượng có sẵn trong các nhà máy.
• Ngoài ra, việc ứng dụng này còn giúp cho doanh nghiệp giảm được chi phí đầu tư mua NaOH mới, giảm chất thải và phù hợp mô hình tuần hoàn.

Sản xuất NaOH từ Ca(OH)2 thường áp dụng trong nhà máy bột giấy

5.2. So sánh sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂ với phương pháp điện phân

Để điều chế NaOH có hai cách được ứng dụng phổ biến nhất bao gồm có xút-vôi và điện phân. Mỗi quy trình đều có những ưu và nhược điểm riêng sẽ được Gia Hoàng so sánh cụ thể dưới đây:

6. Kết bài

Như vậy, có thể thấy Ca(OH)2 là tác nhân quan trọng trong phương pháp xút-vôi để biến đổi Na2CO3 thành NaOH. Dù cách sản xuất Natri Hydroxit điện phân được ứng dụng phổ biến, tuy nhiên phương pháp nhiệt năng vẫn là lựa chọn cho các công nghiệp khép kín cần tái sinh hóa chất. Hy vọng qua bài viết của Gia Hoàng vừa cung cấp đã mang đến cho bạn những thông tin hữu ích về sản xuất NaOH bằng Ca(OH)₂. Nếu cần tư vấn, báo giá hay mua hóa chất hãy liên hệ chúng tôi ngay qua hotline 0941 666 578 nhé!