Proceso de cloro-álcali
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Dibujo antiguo de una planta de proceso de cloro-álcali ( Edgewood, Maryland )

El proceso cloro-álcali (también cloro-álcali y cloro- álcali ) es un proceso industrial para la electrólisis de soluciones de cloruro de sodio . Es la tecnología utilizada para producir cloro e hidróxido de sodio (lejía / sosa cáustica), [1] que son productos químicos básicos requeridos por la industria. En 1987 se prepararon 35 millones de toneladas de cloro mediante este proceso. [2] El cloro y el hidróxido de sodio producidos en este proceso se utilizan ampliamente en la industria química.

Por lo general, el proceso se realiza en salmuera (una solución acuosa de NaCl), en cuyo caso resultan NaOH, hidrógeno y cloro. Cuando se usa cloruro de calcio o cloruro de potasio , los productos contienen calcio o potasio en lugar de sodio. Se conocen procesos relacionados que usan NaCl fundido para dar cloro y sodio metálico o cloruro de hidrógeno condensado para dar hidrógeno y cloro.

El proceso tiene un alto consumo de energía, por ejemplo alrededor de 2500 kWh de electricidad por tonelada de hidróxido de sodio producido. Debido a que el proceso produce cantidades equivalentes de cloro e hidróxido de sodio (dos moles de hidróxido de sodio por mol de cloro), es necesario encontrar un uso para estos productos en la misma proporción. Por cada mol de cloro producido, se produce un mol de hidrógeno. Gran parte de este hidrógeno se usa para producir ácido clorhídrico , amoníaco , peróxido de hidrógeno o se quema para producir energía y / o vapor. [3]

Historia

El proceso de cloro-álcali se ha utilizado desde el siglo XIX y es una industria primaria en los Estados Unidos , Europa Occidental y Japón . [4] [5] Se ha convertido en la principal fuente de cloro durante el siglo XX. [6] El proceso de celda de diafragma y el proceso de celda de mercurio se han utilizado durante más de 100 años y son perjudiciales para el medio ambiente debido al uso de amianto y mercurio , respectivamente, pero el proceso de celda de membrana solo se desarrolló en los últimos 60 años. El proceso de la célula de membrana es un método superior en cuanto a eficiencia energética y ausencia de productos químicos nocivos.[5]

Aunque la primera formación de cloro por electrólisis de salmuera se atribuyó al químico William Cruikshank en 1800, fue 90 años después cuando el método electrolítico se utilizó con éxito a escala comercial. La producción a escala industrial comenzó en 1892. [7] En 1833, Faraday formuló las leyes que regían la electrólisis de soluciones acuosas, y se concedieron patentes a Cook y Watt en 1851 ya Stanley en 1853 para la producción electrolítica de cloro a partir de salmuera. [7]

Sala de celdas de una planta de cloro-álcali ca. 1920

Sistemas de proceso

Se utilizan tres métodos de producción. Si bien el método de la celda de mercurio produce hidróxido de sodio sin cloro, el uso de varias toneladas de mercurio genera serios problemas ambientales. En un ciclo de producción normal se emiten algunos cientos de libras de mercurio al año, que se acumulan en el medio ambiente. Además, el cloro y el hidróxido de sodio producidos a través del proceso cloro-álcali de celda de mercurio están contaminados con trazas de mercurio. El método de membrana y diafragma no utiliza mercurio, pero el hidróxido de sodio contiene cloro, que debe eliminarse.

Celda de membrana

El proceso de cloro-álcali más común implica la electrólisis de cloruro de sodio acuoso (una salmuera) en una celda de membrana . Se utiliza una membrana, como una hecha de Nafion , Flemion o Aciplex, para evitar la reacción entre los iones de cloro e hidróxido.

Celda de membrana básica utilizada en la electrólisis de salmuera. En el ánodo ( A ), el cloruro (Cl - ) se oxida a cloro. La membrana selectiva de iones ( B ) permite que el contraión Na + fluya libremente, pero evita que los aniones como el hidróxido (OH - ) y el cloruro se difundan. En el cátodo ( C ), el agua se reduce a hidróxido e hidrógeno gaseoso. El proceso neto es la electrólisis de una solución acuosa de NaCl en productos de utilidad industrial, hidróxido de sodio (NaOH) y cloro gaseoso.

La salmuera saturada se pasa a la primera cámara de la celda donde los iones de cloruro se oxidan en el ánodo , perdiendo electrones para convertirse en gas cloro ( A en la figura):

2Cl - → Cl
2+ 2 e -

En el cátodo , los iones de hidrógeno positivos extraídos de las moléculas de agua son reducidos por los electrones proporcionados por la corriente electrolítica, a gas hidrógeno, liberando iones de hidróxido en la solución ( C en la figura):

2 H
2O + 2e - → H 2 + 2OH -

La membrana de intercambio iónico permeable a los iones en el centro de la celda permite que los iones de sodio (Na + ) pasen a la segunda cámara donde reaccionan con los iones de hidróxido para producir sosa cáustica (NaOH) ( B en la figura). [1] La reacción general para la electrólisis de la salmuera es así:

2NaCl + 2 H
2O → Cl
2+ H
2 + 2NaOH

Celda de diafragma

En el proceso de la celda de diafragma, hay dos compartimentos separados por un diafragma permeable, a menudo hecho de fibras de asbesto.. La salmuera se introduce en el compartimento del ánodo y fluye hacia el compartimento del cátodo. De manera similar a la celda de membrana, los iones de cloruro se oxidan en el ánodo para producir cloro, y en el cátodo, el agua se divide en soda cáustica e hidrógeno. El diafragma evita la reacción de la sosa cáustica con el cloro. Una salmuera cáustica diluida sale de la celda. Por lo general, la sosa cáustica debe concentrarse al 50% y eliminarse la sal. Esto se hace mediante un proceso de evaporación con aproximadamente tres toneladas de vapor por tonelada de sosa cáustica. La sal separada de la salmuera cáustica se puede utilizar para saturar la salmuera diluida. El cloro contiene oxígeno y, a menudo, debe purificarse mediante licuefacción y evaporación.

Celda de mercurio

Artículo principal: proceso Castner-Kellner
Celda de mercurio para proceso cloro-álcali

En el proceso de celda de mercurio, también conocido como el proceso Castner-Kellner , una solución de salmuera saturada flota sobre una fina capa de mercurio. El mercurio es el cátodo, donde se produce el sodio y forma una amalgama de sodio-mercurio con el mercurio. La amalgama se extrae continuamente de la celda y se hace reaccionar con agua que descompone la amalgama en hidróxido de sodio, hidrógeno y mercurio. El mercurio se recicla a la celda electrolítica. El cloro se produce en el ánodo y sale burbujeando de la celda. Las celdas de mercurio se están eliminando gradualmente debido a preocupaciones sobre el envenenamiento por mercurio debido a la contaminación de las celdas de mercurio, como ocurrió en Canadá (ver Enfermedad de Ontario Minamata ) y Japón (ver Enfermedad de Minamata ).

Celda no particionada

La reacción general inicial produce hidróxido y también gases de hidrógeno y cloro: [8]

2 NaCl + 2 H 2 O → 2 NaOH + H 2 + Cl 2

Sin una membrana, los iones OH - producidos en el cátodo pueden difundirse libremente por todo el electrolito. A medida que el electrolito se vuelve más básico debido a la producción de OH - , menos Cl 2 emerge de la solución ya que comienza a desproporcionarse para formar iones cloruro e hipoclorito en el ánodo:

Cl 2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H 2 O

Cuanta más oportunidad tiene el Cl 2 de interactuar con el NaOH en la solución, menos Cl 2 emerge en la superficie de la solución y más rápido progresa la producción de hipoclorito. Esto depende de factores como la temperatura de la solución, la cantidad de tiempo que la molécula de Cl 2 está en contacto con la solución y la concentración de NaOH.

Asimismo, a medida que aumenta la concentración del hipoclorito, se producen cloratos a partir de ellos:

3 NaClO → NaClO 3 + 2 NaCl

Esta reacción se acelera a temperaturas superiores a unos 60 ° C. Ocurren otras reacciones, como la autoionización del agua y la descomposición del hipoclorito en el cátodo, la velocidad de este último depende de factores como la difusión y la superficie del cátodo en contacto con el electrolito. [9]

Si se interrumpe la corriente mientras el cátodo está sumergido, los cátodos que son atacados por hipocloritos, como los hechos de acero inoxidable, se disolverán en celdas sin particiones.

Si la producción de gases de hidrógeno y oxígeno no es una prioridad, la adición de cromato de sodio o potasio al 0,18% al electrolito mejorará la eficiencia de la producción de los otros productos. [9]

Electrodos

Debido a la naturaleza corrosiva de la producción de cloro, el ánodo (donde se forma el cloro) debe ser no reactivo y debe estar hecho de materiales como el metal platino, [10] grafito (llamado plumbago en la época de Faraday), [10] o titanio platinizado. [11] Un ánodo de titanio revestido de óxido de metal mixto (también llamado ánodo dimensionalmente estable) es el estándar industrial en la actualidad. Históricamente, también se han utilizado como ánodos platino , magnetita, dióxido de plomo, [12] dióxido de manganeso y ferrosilicio (13-15% de silicio [13] ). [14] El platino aleado con iridio es más resistente a la corrosión por cloro que el platino puro. [14][15] El titanio sin revestimiento no se puede utilizar como ánodo porque se anodiza , forma un óxido no conductor y se pasiva . El grafito se desintegrará lentamente debido a la producción de gas electrolítico interno a partir de la naturaleza porosa del material y la formación de dióxido de carbono debido a la oxidación del carbono, lo que hará que las partículas finas de grafito se suspendan en el electrolito que se pueden eliminar por filtración. El cátodo (donde se forma el hidróxido) puede estar hecho de titanio sin alear, grafito o un metal que se oxida más fácilmente, como el acero inoxidable o el níquel .

Asociaciones de fabricantes

Los intereses de los fabricantes de productos de cloro-álcali están representados a nivel regional, nacional e internacional por asociaciones como Euro Chlor y The World Chlorine Council .

Ver también

  • Proceso Solvay , un método industrial similar para hacer carbonato de sodio a partir de carbonato de calcio y cloruro de sodio
  • Electrodo de difusión de gas
  • Ingeniería electroquímica

Referencias

  1. ^ a b Fengmin Du; David M Warsinger; Tamanna I Urmi; Gregory P Thiel; Amit Kumar; John H. Lienhard (2018). "Producción de hidróxido de sodio a partir de salmuera de desalación de agua de mar: diseño de procesos y eficiencia energética". Ciencia y tecnología ambientales . 52 (10): 5949–5958. doi : 10.1021 / acs.est.8b01195 . hdl : 1721,1 / 123096 . PMID  29669210 .
  2. ^ Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
  3. ^ R. Norris Shreve ; Joseph Brink (1977). Industrias de procesos químicos (4ª ed.). pag. 219. ASIN B000OFVCCG . 
  4. ^ Crook, Jedidiah; Mousavi, Aliyar (2 de julio de 2016). "El proceso de cloro-álcali: una revisión de la historia y la contaminación" . Forense ambiental . 17 (3): 211–217. doi : 10.1080 / 15275922.2016.1177755 . ISSN 1527-5922 . S2CID 99354861 .  
  5. ^ a b "El proceso de cloro-álcali: una revisión de la historia y la contaminación" . ResearchGate . Consultado el 5 de octubre de 2020 .
  6. ^ "Proceso de cloro-álcali" . Enciclopedia Británica . Consultado el 5 de octubre de 2020 .
  7. ↑ a b O'Brien, Thomas F .; Bommaraju, Tilak V .; Hine, Fumio (2005), O'Brien, Thomas F .; Bommaraju, Tilak V .; Hine, Fumio (eds.), "Historia de la industria de cloro-álcali" , Manual de tecnología de cloro-álcali: Volumen I: Fundamentos, Volumen II: Tratamiento de salmuera y operación de celdas, Volumen III: Diseño de instalaciones y manejo de productos, Volumen IV : Sistemas de soporte y puesta en servicio de plantas, Volumen V: Corrosión, problemas ambientales y desarrollo futuro , Boston, MA: Springer US, págs. 17–36, doi : 10.1007 / 0-306-48624-5_2 , ISBN 978-0-306-48624-1, consultado el 5 de octubre de 2020
  8. ^ Tilley, RJD (2004). Entendiendo los sólidos: la ciencia de los materiales . Comprensión de los sólidos: la ciencia de los materiales . John Wiley e hijos. págs. 281–. Bibcode : 2004usts.book ..... T . ISBN 978-0-470-85276-7. Consultado el 22 de octubre de 2011 .
  9. ↑ a b Thompson, M. de Kay (1911). Electroquímica aplicada . La Compañía MacMillan. págs.  89 -90.
  10. ↑ a b Faraday, Michael (1849). Investigaciones experimentales en electricidad . 1 . Londres: Universidad de Londres.
  11. ^ Landolt, D .; Ibl, N. (1972). "Formación de clorato anódico sobre titanio platinizado". Revista de electroquímica aplicada . Chapman y Hall Ltd. 2 (3): 201–210. doi : 10.1007 / BF02354977 . S2CID 95515683 . 
  12. ^ Munichandraiah, N .; Sathyanarayana, S. (1988). "Ánodo insoluble de α-dióxido de plomo recubierto de titanio para electrosíntesis de perclorato de sodio". Revista de electroquímica aplicada . Chapman y Hall Ltd. 18 (2): 314–316. doi : 10.1007 / BF01009281 . S2CID 96759724 . 
  13. ↑ Dinan, Charles (15 de octubre de 1927). La corrosión de los ánodos de Durion (BSc). Instituto de Tecnología de Massachusetts. pag. 4. hdl : 1721.1 / 87815 . Consultado el 25 de septiembre de 2019 .
  14. ↑ a b Hale, Arthur (1918). Las aplicaciones de la electrólisis en la industria química . Longmans, Green y Co. p. 13 . Consultado el 15 de septiembre de 2019 .
  15. ^ Denso, P. (1902). "Untersuchungen Über die Widerstandsfähigkeit von Platiniridium ‐ Anoden bei der Alkalichlorid ‐ Elektrolyse". Zeitschrift für Elektrochemie . Wilhelm Knapp. 8 (10): 149.

Otras lecturas

  • Bommaraju, Tilak V .; Orosz, Paul J .; Sokol, Elizabeth A. (2007). "Electrólisis de salmuera". Enciclopedia de electroquímica. Cleveland: Universidad Case Western Rsserve.

enlaces externos

  • Animación que muestra el proceso de la célula de membrana.
  • Animación que muestra el proceso de la celda del diafragma
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