10.9. Виробництво хлору, водню та їдкого натру

Для виробництва хлору, водню та їдкого натру використову­ють водні розчини хлориду натрію (NaCl).

Чистий хлорид натрію — безбарвна кришталева речовина гу­стиною 2160 кг/м, яка добре розчиняється у воді. У природі хло­рид натрію міститься в соляних озерах, у вигляді підземних роз­солів, а також у твердому стані.

Хлор, водень та їдкий натр отримують електролізом водних розчинів хлориду натрію. Електроліз проводять в електролізе-рах. Основними складовими електролізерів є ванна, електроди, діафрагма чи мембрана.

Катоди виготовляють із заліза або ртуті; аноди — з графіту. За­лежно від вибору електролізера є три способи виробництва хлору, водню та їдкого натру: діафрагмовий, ртутний і мембранний.

При діафрагмовому способі в анодний простір ванни пода­ють розчин хлориду натрію. У водному розчині хлориду натрію між іонами натрію, хлору, водню та гідроксилу з одного боку, і молекулами хлориду натрію з іншого, існує рівновага:

; .

Під час проходження стального електричного стуму через вод­ний розчин NaCl послідовність розрідження цих іонів визначається насамперед значенням та співвідношенням їх електронних по­тенціалів. Відновлення іонів натрію на твердому залізному катоді неможливе, оскільки потенціал цього процесу має від'ємне значен­ня і дорівнює — 2,71 В, тому на катоді утвориться водень, потенці­ал розрядження якого за таких самих умов становить — 0,415 В:

#.

Іони Na і ОН, які залишились у розчині, у катодному про­сторі утворюють їдкий натр (NaOH):

Na + ОН> NaOH.

На аноді розряджаються іони хлору і виділяється хлор:

#.

Таким чином, у процесі електролізу водних розчинів хлориду натрію отримують хлор і водень у вигляді розчину.

Під час електролізу водного розчину хлориду натрію відбу­вається ряд побічних процесів, які спричинюють зниження якості

488

продукції, зайві витрати енергії. Для запобігання виникненню побічних процесів І змішуванню продукції електролізу катодний і анодний простори розділяють діафрагмою, виготовленою з пре­сованого азбесту. В електролізерній ванні діафрагми розміщують горизонтально та вертикально. Діафрагму щільно припасовують до катода. Отриманий їдкий натр забруднений хлоридом натрію (2-4%) та іншими домішками.

Для отримання дуже чистого їдкого натру використовують ртутний спосіб. У ході ртутного способу виробництва хлору, водню та їдкого натру катод виготовляють із ртуті (Hg).

Агрегат, в якому проводять електроліз, складається з елект­ролізера у ванні якого міститься водний розчин хлориду натрію та розкладача — ванни з водою. В електролізері на ртутному катоді розряджаються іона натрію, а не водню, оскільки потенціал розря­дження іона натрію дорівнює -1,2 В, а іона водню -1,7...-1,85 В.

На аноді розряджаються іони хлору:

#.

Йони натрію розряджаються на ртутному катоді з утворен­ням амальгами

Na-nHg:

.

Амальгама з електролізерної ванни надходить до ванни, де взаємодіє з водою. Внаслідок взаємодії з водою утворюються їдкий, натр, водень І ртуть:

.

Водень І їдкий натр випускають із ванни І подають на пере­роблення, а потім до споживача. Ртуть повертається знову в еле-ктролізер.

їдкий натр, отриманий ртутним способом, якісніший і кон-центрованіший, ніж діафрагмовим. Саме тому незважаючи на ве­ликі капітальні затрати, а вони на (50...70)% перевищують затра­ти на створення такої самої потужності діафрагмовим способом, ртутний спосіб зараз застосовується частіше. Головним спожива­чем якіснішого їдкого натру є виробництво штучних волокон.

При мембранному способі виробництва хлору, водню та їдкого натру використовують електролізер, в якому анод і катод відділені один від одного "глухою стіною" — іонообмінною мем­браною. Жодна молекула газу або рідини не може проникнути крізь неї — мембрана налаштована тільки на іони. Варто лише створити навколо мембрани електричне поле, як вона зразу по­чинає працювати: відкриє прохід іонам натрію, а іони хлору за-

489

тримає. Внаслідок цього хлор виділяється на аноді, водень — на катоді, у розчині залишається їдкий натр, який концентрують і відправляють до споживача. Отримана продукція є дуже чистою. Спрощену схему технологічна система виробництва хлору, водню та їдкого натру можна уявити так: вона складається з п'яти елементів. Хлорид натрію розчиняють у воді у ванні. Отри­маний розчин в очиснику очищають від іонів кальцію та магнію. Для цього до водного розчину NaCl додають соду та вапно. Внаслідок взаємодії домішки осідають на дно, а розчин NaCl че­рез фільтр надходить до ванни для нейтралізації лугу. Очищений розчин переходить до теплообмінників, де нагрівається до темпе­ратури 90 °С і подається до подається до електроліз єрів для про­ходження електролізерах, їдкий натр збирається у збирачах, звідки надходить на концентрування. Хлор збирають у збирачі, звідки подають на охолодження та висушування. Водень без очи­щення направляють споживачам.