Глава 4. Электрохимический синтез неорганических веществ [24-33]. Получение хлора и щелочи

4.1. Общие сведения

Конструкции электролизеров для получения хлора и щелочей определяются свойствами получаемых продуктов и технологией их получения. Суммарную реакцию процесса можно представить, как

Получаемые газообразные продукты способны взаимодействовать между собой, причем на свету эта реакция протекает со взрывом. Хлор активно взаимодействует со щелочью

Cl₂+2NaOH=NaCl+NaClO+H₂O

В результате реакции образуется исходный хлорид натрия и гипохлорит натрия. Это приводит как к уменьшению выхода по току целевого продукта, так и к его загрязнению побочными продуктами. В целом, упомянутые процессы обуславливают необходимость отделения продуктов реакции друг от друга. Это возможно либо при разделении электродных пространств электролизера, либо при получении промежуточных продуктов, не вступающих во взаимодействие между собой (рис.4.1).

Рис.4.1. Схемы электролизеров для получения хлора и щелочи

1-диафрагменный, 2-с ртутным катодом, 3-мембранный.

Первыми электролизерами, нашедшими широкое промышленное применение, были электролизеры с разделением электродных пространств единственно доступным и отвечающим требованиям инертности природным диафрагменным материалом - асбестом. Этот способ получения хлора и щелочи получил название диафрагменного электролиза. Общий недостаток способа определяется свойствами каждой пористой диафрагмы: она не препятствует миграционному переносу ОН^--ионов в анодное пространство, что приводит к описанному выше взаимодействию щелочи с образующимся хлором. Для предотвращения такого переноса было использовано другое свойство диафрагм - способность фильтровать электролит. Для подавления миграционного переноса ОН^--ионов движение потоков фильтрации направлено навстречу миграционному потоку ионов гидроксила из анодного пространства в катодное. Свежие порции рассола подаются в анодное пространство, а уровень электролита в катодном пространстве поддерживается ниже, чем в анодном (рис.3.1.А). Фильтрация электролита через диафрагму подавляет миграционный перенос, но загрязняет получаемую щелочь хлоридом натрия и сильно уменьшает ее концентрацию.

Принципиально другая попытка разделить продукты электролиза заключается в замене одной катодной реакции - получении водорода и щелочи

2H₂O + 2e=H₂ + 2OH^-

на другую

Na⁺ + Hg+e=NaHg ,

при которой щелочь не образуется. Для получения гидроксида натрия амальгама перекачивается в другой аппарат - разлагатель амальгамы. Для разложения амальгамы в разлагатель подается не хлорид натрия, а вода (рис.4.1.Б). Такой метод получил название электролиза с ртутным катодом. Щелочь, получаемая в электролизерах с ртутным катодом, до сих пор отличается непревзойденной чистотой и концентрацией. Метод тем не менее используется все меньше, в связи с высокой токсичностью применяемой ртути.

По мере развития науки и техники были синтезированы материалы, обладающие односторонней ионной проводимостью (катионообменные мембраны). Применение этих материалов почти полностью исключает перенос ОН^--ионов из катодного пространства в анодное и фильтрационный перенос (рис.4.1.В). В целом, это позволяет получать щелочь более чистую и более концентрированную, чем в диафрагменном методе. Главным недостатком метода является использование очень дорогих (около 500$ за квадратный метр) мембран. Электролизеры с разделением электродных пространств получили название мембранных электролизеров.

Таким образом, сформировалось три метода получения хлора и щелочи и соответствующие этим методам конструкции электролизеров. Недостатки каждого метода на разных фирмах пытались компенсировать теми или иными конструкторскими решениями разрабатываемой техники, что повлекло появление большого количества разнообразных электролизеров. При этом достаточно интересные конструкции, обеспечивающие технологический процесс могли быть забракованы и браковались из-за громоздкости, большого расхода дефицитных материалов или производственных площадей, сложности изготовления и эксплуатации. Интенсивные конструкторские работы не привели, да и вряд ли смогут привести к созданию электролизера, полностью отвечающего технологическим, эксплуатационным или экономическим требованиям, поэтому в данном курсе будут рассмотрены все основные направления развития электролизеров.