Производство хлора, водорода и натрий гидроксида
Электролиз раствора хлорида натрия – простой и экономичный способ одновременного получения трёх важных веществ: хлора, гидроксида натрия и водорода из дешёвого и доступного природного сырья.
Хлор при нормальных условиях представляет собой газ жёлто-зелёного цвета с резким удушливым запахом.
Хлор служит исходным материалом для производства хлорорганических растворителей, пластических масс, синтетическихкаучуков, химических волокон.
Хлор применяется:
в металлургии для хлорирующего обжига руд;
в текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности для очистки целлюлозы, бумажной массы и тканей;
для очистки и стерилизации сточных вод.
Гидроксид натрия – второй продукт электролиза – твёрдое непрозрачное вещество белого цвета, хорошо растворимое в воде; растворы гидроксида натрия имеют сильно щелочную реакцию.
Промышленность выпускает твёрдый гидроксид натрия, содержащий 92-95% NaOH и его водные растворы.
Гидроксид натрия широко применяется:
в промышленности органического синтеза,
в производстве искусственных волокон, целлюлозы и бумаги,
в нефтеперерабатывающей промышленности,
в производстве алюминия.
Сырьём для электрохимического производства хлора, гидроксида натрия и водорода служит концентрированный раствор (рассол), содержащий 305-310 г/дм3 хлорида натрия.
Электролиз раствора хлорида натрия реализуется в аппаратах двух типов: диафрагменных аппаратах с твёрдым стальным катодом или в бездиафрагменных аппаратах с жидким ртутным катодом. В том и другом случае применяют аноды из графитаили аноды из титана,покрытые слоем оксида рутения.
Образующиеся при промышленном электролизе раствора хлорида натрия газообразные продукты (хлор и водород) при любом способе электролиза характеризуются высокой концентрацией H2 и Cl2.
При электролизе раствора хлорида натрия в электролизёре с ртутным катодом третий продукт - гидроксид натрия - также получается высококонцентрированным и химически чистым продуктом.
Способы электролиза насыщенного раствора хлорида натрия при использовании электролизёров двух типов отличаются друг от друга процессами, происходящими в катодном пространстве.
7.3.1. Электролиз раствора хлорида натрия в электролизерах с твёрдым катодом.
В водном растворе хлориданатрия содержатся ионы Na+, H+, Cl- и OH-.
При прохождении постоянного электрического тока последовательность разряда этих ионов определяется в первую очередь величинами и соотношениями их электродных потенциалов.
Восстановление ионов натрия на стальном катоде невозможно, так как потенциал этого процесса имеет высокое значение и равен 2,71 В. По этой причине на катоде образуется водород, равновесный потенциал разряда которого в насыщенном растворе хлорида натрия равен 1,1В (без учета перенапряжения - 0,415 В).
2H2O + 2ê = H2 + 2OH-
Оставшиеся в катодном пространстве гидроксид-ионы образуют с ионами натрия нейтральные молекулы гидроксида натрия:
OH- + Na+ → NaOH
На аноде выделяется хлор:
2Cl- → Cl2 + 2ê
Равновесный потенциал разряда иона хлора в насыщенном растворе выше, чем равновесный потенциал гидроксид ионов φOH- = 0,82 В; φCl2 = 1,32 В.
Однако на графитовых и оксидно-рутеневых анодах ионы гидроксида OH-разряжаются с большим перенапряжением, поэтому на аноде происходит выделение газообразного хлора.
Суммарно процесс электролиза хлорида натрия можно представить так:
2H2O + 2NaCl = Cl2 + H 2 + 2NaOH
На практике наряду с основными реакциями происходит и ряд побочных реакций. На аноде образуется кислород:
2OH- - 2ê = 0,5O2 + H2O
При взаимодействии кислорода с углеродом образуется оксид углерода (IV).
В жидкости анодного пространства вследствие растворения в ней хлора идут вторичные реакции образования гипохлорита NaClO, хлората NaClO3 и хлорида натрия.
Все побочные реакцииснижают выход по току основных продуктов,а такжестепень использования энергии.
7.3.2. Электролизёр непрерывного действия с вертикальной фильтрующей диафрагмой.
Корпус электролизёра (ванной) разделён на катодное и анодное пространство диафрагмой из асбеста, которая плотно прилегает к стальному перфорированному катоду. В анодном пространстве расположен графитовый анод (рис. 6.1):
| Рис. 6.1. Схема электролизной ванны с фильтрующей диафрагмой (ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ВЕРТИКАЛЬНОГО ТИПА): 1 — перфорированный катод, 2 — пористая асбестовая диафрагма, 3 — катодное пространство, 4 — графитовый анод, 5 — анодное пространство |
Очищенный рассолподают в анодное пространство, и благодаря гидростатическому давлению он фильтруется через диафрагму катода.
При прохождении электрического тока на катоде выделяется и отводится из ванны водород, а на аноде – хлор.
В катодном пространстве образуется гидроксид натрия, непрерывно удаляемый из ванны.
Содержание хлора в образующемся хлор-газе 95-96%. Хлор-газ сушат охлаждением до 20°С и промывают концентрированной серной кислотой, затем сжижают под давлением. Жидкий хлор перевозят в баллонах или цистернах.
В катодном продукте – растворе гидроксида натрия - содержится 120-140 г/дм3 NaOH и 170-180 г/дм3 неразложившегося хлорида натрия. Раствор выпаривают, при этом хлорид натрия переходит в твёрдую фазу, так как его растворимость резко понижается с увеличением концентрации гидроксида натрия. После выпарки и плавки щёлоков получают безводный гидроксид натрия, содержащий 92-95% NaOH и 2-4% NaCl.
Выход по току достигает 96%, выход по энергии - 65%.