Характеристики и описание
Существующие способы получения хлора (Cl₂) из поваренной соли (NaCl).
Впервые хлор был получен в 1774 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле:
4HCl+MnO₂→MnCl+MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O
Он сравнил запах хлора, схожим с запахом царской водки и установил его способность взаимодействовать с золотом, и кроме этого всего этого его отбеливающие и дензифецирующие свойства. Но попытки его выделения были безуспешными вплоть до опытов Дэви, которому удалось методом электролиза разложить обычную поваренную соль на гидроксид натрия и хлор.
Человеческий организм содержит 0,25 % ионов хлора по массе. В организме человека и животных хлор содержится в основном в межклеточных жидкостях (в том числе в крови) и играет определяющую роль в регуляции осмотических процессов, и кроме этого в процессах, связанных с работой нервных клеток.
На сегодняшней день известны три метода получения хлора:
1. Химический;
2. Лабораторный;
3. Электрохимический.
Химический метод получения хлора малоэффективны и требует огромных затрат. При одном из способов получается при взаимодействии перманганата калия с соляной кислотой:
16НCl+2KMnO₄→ 2MnCl₂+5Cl₂+8H₂O
Лабораторным методом хлор можно получить действием кислоты на гипохлорит натрия (ГПХН), например:
NaOCl+2HCl→NaCl+Cl₂ꜛ+H₂O
Такие методы так же предусматривают большие денежные вложения.
В промышленности хлор получают электрохимическим методом путём электролиза раствора поваренной соли:
2NaCl+2H₂O+2e⁻→2NaOH+Cl₂↑+H₂
В настоящее время известны 3 варианта электрохимического метода получения хлора. Два из них — электролиз с твердым катодом: диафрагменный и мембранный методы, третий — электролиз с жидким ртутным катодом.
Ртутный метод с жидким катодом
В ряду электрохимических методов получения хлора самым эффективным способом является электролиз с ртутным катодом. Хлор, полученные при электролизе с жидким ртутным катодом, значительно чище полученных диафрагменным способом.
Установка для ртутного электролиза состоит из электролизёра, разлагателя амальгамы и ртутного насоса, объединённых между собой ртутепроводящими коммуникациями.
Катодом электролизёра служит поток ртути, прокачиваемой насосом. Аноды — графитовые, угольные или малоизнашивающиеся (ОРТА, ТДМА или другие). Вместе с ртутью через электролизёр непрерывно течёт поток питающего поваренной соли.
На аноде происходит окисление ионов хлора из электролита, и выделяется хлор:
2Cl− — 2е− → Cl20↑ — основной процесс
2H2O — 2e- → O2↑+4H+
6СlО- + 3Н2О — 6е- → 2СlО3- + 4Сl- + 1,5O2↑ + 6Н+
Хлор и анолит отводится из электролизёра. Анолит, выходящий из электролизёра, донасыщают свежим галитом, извлекают из него примеси, внесённые с ним, а также вымываемые из анодов и конструкционных материалов, и возвращают на электролиз. Перед донасыщением из анолита извлекают растворённый в нём хлор.
В ряду электрохимических методов производства самым лёгким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути. Настоящие требования к экологической безопасности производств и дороговизна металлической ртути ведут к вытеснению ртутного метода, более бюджетными и экологически безопасными методами получения хлора с твердым катодом
Диафрагменный метод
Наиболее простым, из электрохимических методов, в плане организации процесса и конструкционных материалов для электролизера, является диафрагменный метод получения хлора.
Раствор соли в диафрагменном электролизере непрерывно подается в анодное пространство и протекает через, обычно, насаженную на стальную катодную сетку асбестовую диафрагму, в которую в некоторых случаях добавляют небольшое количество полимерных волокон.
Насасывание диафрагмы производится путем прокачивания через электролизер пульпы из асбестовых волокон, которые, застревая в сетке катода образуют слой асбеста, играющий роль диафрагмы.
Во многих конструкциях электролизеров катод полностью погружен под слой анолита (электролита из анодного пространства), а выделяющийся на катодной сетке водород отводится из-под катода при помощи газоотводных труб, не проникая через диафрагму в анодное пространство благодаря противотоку.
Противоток — очень важная особенность устройства диафрагменного электролизера. Именно благодаря противоточному потоку направленному из анодного пространства в катодное через пористую диафрагму становится возможным раздельное получение щелоков и хлора. Противоточный поток рассчитывается так, чтобы противодействовать диффузии и миграции OH- ионов в анодное пространство. Если величина противотока недостаточна, тогда в анодном пространстве в больших количествах начинает образовываться гипохлорит-ион (ClO-), который, после, может окисляться на аноде до хлорат-иона ClO3-. Образование хлорат-иона серьёзно снижает выход по току хлора и является главным побочным процессом в этом методе. Так же вредит и выделение кислорода, которое, кроме того, ведет к разрушению анодов и, если они из углеродных материалов, попадания в хлор примесей фосгена.
Анод:
2Cl− — 2е− → Cl2↑ — основной процесс
2H2O — 2e- → O2↑+4H+6СlО- + 3Н2О — 6е- → 2СlО3- + 4Сl- + 1,5O2↑ + 6Н+
Катод:
2H2O + 2e− → H2↑ + 2OH− — основной процесс
СlО- + Н2О + 2е- → Сl- + 2ОН-
СlО3- + 3Н2O + 6е- → Сl- + 6OН-
Мембранный метод
Мембранный метод производства гидроксида натрия наиболее энергоэффективен.
С точки зрения электрохимических процессов, мембранный метод подобен диафрагменному, но анодное и катодное пространства полностью разделены непроницаемой для анионов катионообменной мембраной. Благодаря этому свойству становится возможным получение более чистых, чем в случае с диафрагменного метода, хлора и щелока. Поэтому в мембранном электролизере, в отличие от диафрагменного, не один поток, а два.
В анодное пространство поступает, как и в диафрагменном методе, поток раствора соли. А в катодное — умягченная вода. Из катодного пространства вытекает поток обеднённого анолита и поступает в сепаратор хлор- газ (активный хлор) 98,5%, а из анодного — гидроксид натрия и водород.
Активный хлор, получаемая с помощью мембранного электролиза, практически не уступает по качеству получаемой при помощи метода с использованием ртутного катода.
В мировой производственной практике используются все три метода получения хлора с явной тенденцией к увеличению доли мембранного электролиза.
|
Показатель на 1 тонну хлора |
Ртутный метод |
Диафрагменный метод |
Мембранный метод |
|
Выход хлора, % |
99 |
96 |
98,5 |
|
Электроэнергия, кВт·ч |
3150 |
3260 |
2520 |
|
Концентрация NaOH, % |
50 |
12 |
35 |
|
Чистота хлора, % |
99,2 |
98 |
99,3 |
|
Чистота водорода, % |
99,9 |
99,9 |
99,9 |
|
Массовая доля O2 в хлоре, % |
0,1—0,2 |
1 |
0,3 |
|
Массовая доля Cl− в NaOH, % |
0,003 |
1—1,2 |
0,005 |
