3. Производство хлора, водорода и едкого натра
Электролиз водных растворов хлоридов щелочных металлов в промышленности известный еще с 1890 г. Большие запасы хлоридов щелочных металлов в природе, их легкая растворимость в воде и большая эффективность электролиза сделали его основным способом производства хлора, водорода и едкого натра. Более 99% хлора во всем Мире производят именно этим способом. Одновременно растет производство едкого натра.
Сырье. Для производства хлора, водорода и едкого натра используют водные растворы хлорида натрия (NaCl).
Чистый хлорид натрия - бесцветное кристаллическое вещество плотностью 2160 кг/м3, которое хорошо растворяется в воде. В природе хлорид натрия содержится в соляных озерах, в виде подземных рассолов, а также в твердом состоянии.
Способы получения хлора, водорода и едкого натра
Хлор, водород и едкий натр получают электролизом водных растворов хлорида натрия. Электролиз проводят в электролизерах. Основными составляющими электролизеров есть ванная, электроды, диафрагма или мембрана.
Катоды изготавливают из железа или ртути; аноды - из графита. В зависимости от выбора электролизера есть три способа производства хлора, водорода и едкого натра: диафрагменный, ртутный и мембранный.
В анодное пространство ванны 4 подают раствор хлорида натрия. В водном растворе хлорида натрия между ионами натрия, хлора, водорода и , гидроксила с одной стороны и молекулами хлорида натрия и воды с другой существует равновесие:
Во время прохождения постоянного электрического тока через водный раствор NaCl последовательность разряжения этих ионов определяется прежде всего значениями и соотношением их электродных потенциалов. Восстановление ионов натрия на твердом железном катоде невозможно, поскольку потенциал этого процесса имеет отрицательное значение и равен - 2,71 В, поэтому на катоде 1 образуется водород, потенциал разряжения которого при таких же условиях составляет - 0,415 В:
Ионы Na+ и ВОН", которые остались в растворе, в катодным пространстве 2 образуют едкий натр (NaOH) :
На аноде 3 разряжаются ионы хлора и выделяется хлор:
На аноде 3 разряжаются ионы хлора и выделяется хлор:
Таким образом, в процессе электролиза водных растворов хлорида натрия получают хлор и водород в виде газов и едкий натр в виде раствора.
Во время электролиза водного раствора хлорида натрия происходит ряд побочных процессов, которые приводят к снижению качества продукции, лишние затраты энергии. Для предотвращения возникновения побочных процессов и смешиванию продукции электролиза катодный и анодный просторы разделяют диафрагмой 5, изготовленной из прессованного асбеста. В электролизные ванные диафрагмы размещают горизонтально и вертикально. Диафрагму плотно подгоняют к катоду 1. Полученный едкий натр загрязнен хлоридом натрия (2-4%) и другими примесями.
Ртутный способ получения хлора, водорода и едкого натра
Для получения очень чистого едкого натра используют ртутный образом (рис.). В ходе ртутного способа производства хлора, водорода и едкого натра катод изготавливают из ртути (Hg).
Агрегат, в котором проводят электролиз, состоит из электролизера, в ванне которого содержится водный раствор хлорида натрия и ванны с водой 4. В электролизере на ртутном катоде С разряжаются иона натрия, а не водорода, поскольку потенциал разряжения иона натрия равна -1,2 В, а иона водорода - 1,7... - 1,85 В.
На аноде 2 разряжаются ионы хлора:
Ионы натрия разряжаются на ртутном катоде с образованием амальгамы Na•nHg:
Амальгама от электролизной ванны поступает к ванне 4, где взаимодействует с водой. В результате взаимодействия с водой образуются едкий натр, водород и ртуть:
Водород и едкий натр выпускают из ванны и подают на переработку, а затем до потребителя. Ртуть возвращается снова в электролизер.
Едкий натр, полученный ртутным способом, более качественный и концентрированный, чем диафрагмовым. Именно поэтому, несмотря на большие капитальные затраты, а они на 50-70% превышают затраты на создание такой же мощности диафрагмовым способом, ртутный способ в наше время применяется чаще. Главным потребителем качественного едкого натра является производство искусственных волокон.
Однако следует помнить, что ртуть - очень ядовитое вещество. Вредный для организма человека и асбест. Хлор также принадлежит к ядовитых веществ.
Поиски экономического и экологически чистого способа электролиза водного раствора хлорида натрия привели исследователей к разработке и внедрению в производство мембранного способа.
Мембранный способ получения хлора, водорода и едкого натра
При этом способе производства хлора, водорода и едкого натра используют электролизер, в котором анод и катод отделены друг от друга «глухой стеной» - ионообменною мембраной. Ни одна молекула газа или жидкости не может проникнуть сквозь нее - мембрана настроена только на ионы. Стоит только создать вокруг мембраны электрическое поле, как она сразу начинает работать: откроет проход ионам натрия, а ионы хлора задержит. Вследствие этого хлор выделяется на аноде, водород - на катоде, в растворе остается едкий натр, который концентрируют и отправляют к потребителю. Полученная продукция является очень чистой.
Технологическая система производства хлора, водорода и едкого натра
Упрощенную схему технологической системы производства хлора, водорода и едкого натра изображен на рис. 113.
Она состоит из пяти элементов. Хлорид натрия растворяют в воде в ванне (элемент 1). Полученный раствор в очистителе очищают от ионов кальция и магния (элемент 2). Для этого к водному раствору NaCl добавляют соду и известь. В результате взаимодействия примеси оседают на дно, а раствор NaCl через фильтр поступает к ванне для нейтрализации щелочи (элемент 3). Очищенный раствор переходит к теплообменникам, где нагревается до температуры 90 0С (элемент 4) и подается в электролизеры для прохождения электролиза (элемент 5). В результате реакций, которые протекают в электролизерах, едкий натр собирается в собирателях, откуда поступает на концентрирование. Хлор собирают в собиратели, откуда подают на охлаждения и сушки. Водород без очистки направляют потребителям.
