Существующие способы получения хлора (Cl?) из поваренной соли (NaCl)

Впервые хлор был получен в 1774 г. шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле:

4HCl+MnO??MnCl+MnCl?+Cl??+2H?O

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+2KMnO?? 2MnCl?+5Cl?+8H?O

Лабораторным методом хлор можно получить действием кислоты на гипохлорит натрия (ГПХН), например:

                                                          NaOCl+2HCl?NaCl+Cl??+H?O

Такие методы так же предусматривают большие денежные вложения.

В промышленности хлор получают электрохимическим методом путём  электролиза раствора поваренной соли:

                                                       2NaCl+2H?O+2e??2NaOH+Cl??+H?

 

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