Electroliza soluției de NaCl este cea mai simplă și cea mai economică metodă de producere simultană a trei produse chimice importante - clor, hidrogen și hidroxid de sodiu, utilizând materii prime ieftine și accesibile naturale. Producția electrolitică de clor, hidrogen și alcalii este cea mai mare producție electrochimică. Reacția totală dintr-un electrolizer poate fi exprimată prin ecuație
Clorul este utilizat pe scară largă ca materie primă pentru producerea de solvenți organoclorici, materiale plastice, cauciuc sintetic, fibre chimice, pesticide. În metalurgie, clorul este utilizat pentru clorinarea frigei de minereuri, în industria textilă și cea a celulozei pentru curățarea și albirea celulozei.
Materia primă pentru producerea electrolitică de clor, hidroxid de sodiu și hidrogen este o soluție concentrată (soluție salină) care conține 305-310 g / dm3 NaCI purificat din impurități. Materia primă pentru obținerea saramurii poate servi drept sare de piatră, sare de lac, soluții naturale de NaCl subteran.
Electroliza soluției de NaCl este realizată prin două metode, în timp personal în procesele electrochimice pe electrozi și pentru proiectare hardware: 1) o electroliză cu catod solid și cu membrană de filtrare și 2) electroliza fără o diafragmă cu catod de mercur fluid-Kim. produse gazoase - clor și hidrogen prin oricare dintre aceste metode se disting printr-o puritate ridicată. In electroliza cu catod de mercur lichid și un al treilea produs - o soluție de sodiu hidro-ksida are o concentrație mare de hidroxid de sodiu și este chi-ically curat. Datorită purității produselor rezultate, pro-Stoma și proiectarea hardware compacte, precum și non-complexitate, sistem chimic tehnologic singură etapă electroliza soluției de NaCl în lumea de astăzi este singura metodă de producere a clorului și metoda de bază de producere de hidroxid de sodiu.
Electroliza soluției de NaCl cu catod solid și diafragmă de filtrare. Randamentul produselor de electroliză a soluției de NaCl depinde de selectivitatea reacțiilor electrochimice la electrozi și de reacțiile chimice din volumul de electroliți. Când trece un curent electric constant printr-un electrolit care conține ioni de Na +. Cl -. H + și OH-. secvența de descărcare a acestor ioni pe electrozii este determinată inițial de valorile potențialelor lor electrod standard. La catod, hidrogenul este eliberat exclusiv, deoarece potențialul de descărcare de sodiu are o valoare ridicată.
Materialul pentru catod este oțelul, pe care se eliberează hidrogen cu o supratensiune relativ mică (0,3 V). Re-cial condițiile de electroliză (soluție concentrată de clorură de sodiu, conținând NaOH, temperatura de 90 ° C) potențial de evoluție a hidrogenului real este de aproximativ -0.845 potențial V. Reducerea la 0,3-0,4 poate fi atins în utilizarea catozilor de grafit poros pentru calire hidrofobizarea impregnată cu politetrafluoretilenă și activată de săruri de cupru sau de argint.
Materialul pentru anozi a fost anterior grafit. Acum se utilizează anozi oxid-ruteniu (o compoziție de oxizi de titan și de ruteniu, acoperită pe bază de titan). Anodii de oxid-ruteniu sunt mai puternici decât anodii de grafit și nu reacționează cu oxigenul produs de reacția anodică secundară. Potențialul standard al clorului este mai electropositiv decât ionii OH, dar pe anozi de cărbune și oxid-ruteniu, ionii OH se dizolvă cu o supratensiune mare; prin urmare, procesul principal de anod este izolarea clorului. degajarea clorului pe anod contribuie la creșterea concentrației de NaCl în electrolit de pornire și de creșterea temperaturii, deoarece în aceste condiții potențialul de echilibru al C1 este redus de descărcare -. precum și potențialul propriu-zis al electrodului datorat unei scăderi a supratensiunii de descărcare a ionilor de clor.
În condiții industriale, electroliza soluției de NaCl, împreună cu reacțiile electrochimice principale, conduce la volumul side-on-anod și electrolitic.
La anod se formează oxigen, care interacționează cu carbonul anodului de grafit pentru a forma dioxid de carbon.
În volumul electrolitului din spațiul anodic, ca urmare a hidrolizei clorului, reacțiile chimice au loc prin formarea de produse secundare de hipoclorit, clorat și clorură de sodiu.
În spațiul intelectric, unde, datorită difuziei, ionii OH se prăbușesc. există o reacție
HOCI + NaOH® NaOCl + H20
La anod, are loc oxidarea electrochimică a ionilor OC1, cu formarea de clorat:
Reacțiile adverse reduc producția principalelor produse și măresc coeficienții de consum pentru electricitate. Condițiile de electroliză și proiectarea electrolizorilor vizează minimizarea apariției reacțiilor secundare și obținerea randamentului maxim de curent al produselor țintă. În acest scop, electroliza este realizată în celule continue cu diafragme de filtrare verticale în mișcare în contracurent a ionilor electroliți și OH. Diagrama elementului celular este prezentată în Fig. 4.
Corpul băii, de obicei dreptunghiular, este împărțit în spațiul catodic și anodic printr-o diafragmă poroasă de azbest modificată cu substanțe polimerice. Diafragma se potrivește perfect cu un perforat (cu mai multe găuri) sau cu un catod din oțel. În celulele electrolitice moderne, catodii au o formă ramificată în formă de pieptene pentru dezvoltarea suprafeței. În spațiul anodic se află un anod oxid-ruteniu. Salina purificată este alimentată în spațiul anodic și, datorită presiunii hidrostatice, este filtrată prin diafragmă și catod în spațiul catodic. Hidrogenul și o soluție de hidroxid de sodiu sunt extrase în mod continuu din spațiul catodic și clorul din spațiul anodic. Gazul de clor rezultat conține 95-96% C12. Gazul de clor este răcit la 20 ° C (apa este condensată) și uscată în continuare prin spălare cu acid sulfuric concentrat. Pentru transport, clorul este lichefiat la o presiune de 1-1,2 MPa (sau la -5-25 ° C sub o presiune de 0,3-0,6 MPa) și transportat în butelii sau cisterne. Produsul catodic, soluție de hidroxid de sodiu, conține 120-140 g / dm3 NaOH și 170-180 g / dm3 de NaCl nedecomodat. Soluția este evaporată, în timp ce NaCl trece în faza solidă, deoarece solubilitatea sa scade brusc cu creșterea concentrației de NaOH.
În ultimii ani, pentru electroliza soluției de NaCl, a început utilizarea electrozilor cu filtru de înaltă presiune cu electrozii bipolari.
Electroliza soluției de clorură de sodiu cu catod de mercur. La catodul de mercur, hidrogenul este eliberat cu o supratensiune mare; potențial H + descărcare ion la catod de mercur de 1.7-1.85 V. sodiu alocată pentru catod de mercur eficiența cu un volum mare de depolarizare, adică, capacitatea de evacuare a ionului de Na + mercur mult mai mic decât cel standard și este egal cu 1,23 V .. . fenomenul depolarizare este prevăzut un catod de mercur, astfel încât evacuarea ionilor de sodiu provenind din pro-forma de compuși chimici - amalgam de sodiu, care este extras în mod continuu de la suprafața anodului, dizolvat într-un exces de mercur. Clorul este eliberat pe electrodul perforat de grafit (sau oxid-pirenic).
Amalgamul de sodiu conținând 0,1-0,3% Na se îndepărtează din electrolizor și se descompune cu apă încălzită într-un alt reactor de descompunere.
O diagramă a unei celule electrolitice cu un catod de mercur este prezentată în Fig. 5.
Soluție adâncă purificată concentrată de clorură de sodiu a fost alimentată în celulă electrolitică alungită înclinată, după care partea de jos prin gravitație, saramură contracurent, se mută de mercur, servind ca un catod. Deasupra mercurului este un anod orizontal-oxid de ruteniu (sau grafit perforat) anod, imersat in saramura. Clorul este furnizat pentru uscare, iar soluția salină declorurată după purificarea de la mercur, până la saturarea cu sare de rocă și purificarea reactivului din impurități se întoarce din nou în celulă. Amalgamul de sodiu din electrolitator curge într-un reactor de descompunere înclinat, unde este contra-curgat cu apă distilată furnizată într-o cantitate care asigură o soluție de NaOH 45%. La partea inferioară a descompunerii există plăci de grafit în formă de pieptene care formează un element galvanic scurtcircuit NaHgn [NaOH] C cu amalgam. Soluția de hidroxid de sodiu din separatoare este separată de hidrogen și transferată către consumatori. Mercurul, care curge de la descompunere, este transferat la electrolizor printr-o pompă de mercur.
Metoda de electroliză cu catod de mercur necesită primi special aproape clorhidric de purificare inițială care circulă saramura, deoarece magneziu impurități, fier, calciu și alte metale inferioare tensiune blocatoare de hidrogen, la un catod de mercur, ceea ce poate duce la proces Rushen catod și explozii. Pentru a suprima timpul seriei de ioni H + se utilizează o densitate mare de curent.
Electroliza cu catod de mercur produce soluții chimice pure de hidroxid de sodiu. Dar utilizarea mercurului este dăunătoare pentru sănătatea oamenilor. Pentru a obține soluții chimice pure de NaOH, a fost pornită electroliza soluției de NaCl cu o membrană schimbătoare de ioni (cation-exchange) care separă spațiile catodice și anodice. Această metodă este mai complicată în proiectarea și funcționarea echipamentelor hardware, dar este mult mai sigură decât mercurul. Metoda de electroliză prin membrană, precum și diafragma, poate fi considerată un proces tehnologic cu pierderi reduse.