Điện phân NaCl là gì?

Điện phân NaCl (muối ăn) là quá trình sử dụng dòng điện một chiều để tách các ion Na⁺ và Cl⁻ ra khỏi hợp chất muối NaCl, thông qua các điện cực trơ (thường là graphit hoặc platin). Quá trình này tạo ra khí clo (Cl₂), khí hidro (H₂) và natri hydroxit (NaOH), các sản phẩm có giá trị cao trong công nghiệp.

Phản ứng tạo khí clo và natri hydroxit

Nguyên lý chung của quá trình

Khi điện phân dung dịch NaCl (muối ăn) trong nước, các ion trong dung dịch sẽ di chuyển về các điện cực đối diện. Tuy nhiên, tại catot, thay vì Na⁺ bị khử, nước (H₂O) sẽ bị khử vì có thế khử cao hơn, tạo thành khí H₂ và ion OH⁻.

• Ion Na⁺ (cation) → di chuyển về catot (cực âm)
• Ion Cl⁻ (anion) → di chuyển về anot (cực dương)

Phản ứng chi tiết tại các điện cực

Phản ứng tổng quát của quá trình điện phân NaCl trong nước

2NaCl + 2H₂O → H₂↑ + Cl₂↑ + 2NaOH

Trong đó

• H₂ thu được ở catot
• Cl₂ thu được ở anot
• NaOH tồn tại trong dung dịch sau khi Na⁺ kết hợp với OH⁻

Điện phân NaCl

Điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn xốp

Trong phương pháp này, màng ngăn xốp được sử dụng để ngăn cách hai khoang điện phân, giúp các sản phẩm không phản ứng với nhau. Cụ thể, màng ngăn sẽ ngăn NaOH sinh ra ở catot tiếp xúc với khí clo ở anot, nhờ đó thu được sản phẩm tinh khiết hơn.

• Ion Na⁺ di chuyển về cực âm (catot)
• Ion Cl⁻ di chuyển về cực dương (anot)
• Phản ứng tổng quát vẫn là 2NaCl + 2H₂O → H₂ + 2NaOH + Cl₂

Điện phân dung dịch NaCl trong nước không màng ngăn

Quá trình điện phân không sử dụng màng ngăn xốp sẽ khiến các sản phẩm như NaOH và khí Cl₂ có thể phản ứng với nhau, dẫn đến phát sinh nhiều phản ứng phụ, không thu được sản phẩm tinh khiết.

• Phản ứng chính là 2NaCl + 2H₂O → H₂ + 2NaOH + Cl₂
• Phản ứng phụ giữa NaOH và Cl₂ là Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O

Sau đó, tiếp tục có thể xảy ra chuỗi phản ứng

• NaCl + H₂O → NaClO + H₂
• NaClO + H₂O → HClO + NaOH
• HClO → HCl + O
• NaOH + HCl → NaCl + H₂O

Hệ quả là sản phẩm chính bị suy giảm và xuất hiện các chất phụ như hypoclorit (NaClO) – chất khử trùng, nhưng làm giảm hiệu suất thu khí clo.

Ứng dụng NaCl trong xử lý bể bơi

Quy trình thực hiện

• Cho muối vào bể cân bằng hoặc bể chính theo tỷ lệ 5–6 kg muối/1 m³ nước.
• Sau 24 giờ, muối tan hoàn toàn trong nước.
• Nước muối được đưa qua thiết bị điện phân (cell điện phân).
• Cl⁻ bị điện phân tạo ra HClO (axit hypoclorơ), chất có khả năng diệt khuẩn mạnh, diệt rêu tảo hiệu quả.
• Phản ứng liên quan Cl₂ + H₂O ⇌ HClO + HCl
  → HClO chính là chất diệt khuẩn chính trong nước bể bơi.

Ưu điểm

• Không gây mùi khó chịu như dùng clo dạng viên hoặc hóa chất.
• Giảm nguy cơ dị ứng cho người bơi.
• Hiệu quả xử lý cao, nhờ HClO có tính khử trùng mạnh.
• An toàn cho người sử dụng vì không tiếp xúc trực tiếp hóa chất mạnh.
• Tiết kiệm chi phí lâu dài so với việc mua clo thường xuyên.

Nhược điểm

• Chi phí đầu tư ban đầu cao (thiết bị điện phân chuyên dụng).
• Dễ làm tăng độ pH của nước, cần điều chỉnh thường xuyên.
• Khí clo sinh ra kém bền, nếu không có hệ thống lọc ổn định, có thể làm nước bị đục.
• Khi hệ thống lọc hỏng, cần dùng thêm hóa chất để khắc phục, gây phát sinh chi phí.

Lưu ý khi điện phân NaCl xử lý nước bể bơi

• Tắt hệ thống và đặt về số 0 trước khi châm muối.
• Kiểm tra nồng độ muối thường xuyên, đảm bảo duy trì phù hợp với yêu cầu của thiết bị.
• Kiểm soát pH giữ pH trong khoảng 7.2–7.6 để đảm bảo hiệu quả diệt khuẩn và an toàn.
• Bật hệ thống lọc liên tục để tránh clo tự do làm bẩn nước.
• Không chạm tay vào bộ phận tản nhiệt của thiết bị điện phân (có thể gây bỏng).
• Đối với hồ bơi lớn, cần lắp nhiều thiết bị điện phân để đảm bảo hiệu quả xử lý.

Quá trình điện phân NaCl là một ứng dụng quan trọng của công nghệ điện hóa, không chỉ tạo ra các sản phẩm hữu ích như khí clo, hydro và natri hydroxit mà còn được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước hồ bơi, công nghiệp hóa chất và bảo vệ môi trường. Việc lựa chọn phương pháp điện phân có hoặc không có màng ngăn sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi sản phẩm và chất lượng nước sau xử lý. Với những ưu điểm về tính an toàn, hiệu quả và tiết kiệm chi phí vận hành, điện phân NaCl đang ngày càng được áp dụng phổ biến trong cả quy mô dân dụng và công nghiệp.