Электролиз раствора хлорида натрия

Электролиз раствора NaCl – наиболее простой и экономичный метод одновременного получения трех важнейших химических продуктов – хлора, водорода и гидроксида натрия с использованием дешевого и доступного природного сырья. Это самое крупномасштабное электрохимическое производство. Суммарная реакция в электролизере может быть выражена уравнением

Хлор применяют в больших масштабах как сырье для производства хлорорганических растворителей и пластмасс, синтетических каучуков, химических волокон, ядохимикатов. В металлургии хлор применяется для хлорирующего обжига руд, в текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности – для очистки и отбеливания целлюлозы, бумажной массы и тканей. Большие количества хлора идут на очистку и стерилизацию сточных вод и питьевой воды.

Гидроксид натрия используется в производстве многих химических продуктов, прежде всего в промышленном органическом синтезе, в целлюлозно-бумажном производстве, в производстве искусственных волокон, в металлургии (производство алюминия), в нефтехимической промышленности и др.

О значении водорода как топлива будущего и химическом реагенте говорилось раньше.

Электролиз раствора NaCl осуществляется двумя методами, различными по характеру электродных процессов и по аппаратурному оформлению:

1. электролиз с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой;

2. электролиз без диафрагмы с жидким ртутным катодом.

Газообразные продукты – хлор и водород при любом способе отличаются высокой чистотой. При электролизе с ртутным катодом и третий продукт – раствор гидроксида натрия имеет высокую концентрацию NaOH и является химически чистым. Благодаря чистоте получаемых продуктов, простому и компактному аппаратурному оформлению, а также одностадийности процесс электролиза раствора NaCl является единственным в мире способом производства хлора и основным способом получения гидроксида натрия.

Электролиз раствора NaCl с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой

При реализации этого процесса на катоде в соответствии с значениями электродных потенциалов протекают следующие процессы:

Материалами для катода служит сталь, на которой водород выделяется с относительно невысоким перенапряжением (0,3 В). В реальных условиях электролиза (концентрированный раствор NaCl, содержащий NaOH, температура 90С) фактический потенциал выделения водорода составляет около – 0,845 В. Снижение потенциала до 0,3 – 0,4 В можно достичь применением пористых графитовых катодов, для упрочнения и гидрофобизации пропитанных политетрафторэтиленом и активированных солями меди или серебра.

Накапливающиеся в катодном пространстве гидроксид-ионы образуют нейтральные молекулы гидроксида натрия

На аноде выделяется хлор:

Материалом анода служит оксидно-рутениевая система (композиция из оксидов рутения и титана, нанесенных на титановую основу), обладающая прочностью и химической инертность по отношению к кислороду являющемуся побочным продуктом, образующемся на аноде:

Кроме того, в объеме электролита анодного пространства в результате гидролиза хлора идут побочные химические реакции:

Образующийся в результате этой последовательной реакции гипохлорит анион претерпевает анодное окисление

Побочные реакции снижают выход по току основных продуктов и повышают расходные коэффициенты по энергии. Поэтому условия электролиза и концентрация электролитов должны обеспечивать минимальное протекание побочных реакций и достижение максимального выхода по току целевых продуктов. Для этого электролиз реализуют в электролизерах непрерывного действия с вертикальными фильтрующими диафрагмами при противотоке движения электролита и OH ^–ионов. Схема электролизера представлена на рис. 1.

Корпус ванны в этой конструкции разделен на катодное и анодное пространства пористой диафрагмой из асбеста, модифицированного полимерными веществами. Диафрагма плотно прилегает к перфорированному стеклянному катоду. В современных электролизерах катоды имеют гребенчатую разветвленную форму с целью развития поверхности. В анодном пространстве расположен оксидно-рутениевый анод. Очищенный рассол подают в анодное пространство и вследствие гидростатического давления он фильтруется через диафрагму и катод в катодное пространство. Из катодного пространства непрерывно отводят водород и раствор гидроксида натрия, а из анодного – хлор. В образующемся хлор-газе содержится 95 – 96% Cl₂. Хлор-газ охлаждают до 20С (при этом конденсируется вода) и дополнительно сушат промывкой концентрированной серной кислотой. Катодный продукт – раствор гидроксида натрия содержит 120 – 140 г/л NaOH и 170 – 180 г/л неразложившегося NaCl. Раствор выпаривают, при этом NaCl переходит в твердую фазу, т.к. его растворимость резко снижается с увеличением концентрации NaOH. После выпарки и плавки щелоков получают безводны гидроксид натрия, содержащий 92 – 95% NaOH и 2 – 4% NaCl.

Благодаря противотоку электролита и ионов OH ^-, последние практически не попадают в анодное пространство и побочные реакции (5), (7) – (9), за которые они ответственны, предельно минимизированы.