Acerca del cloro-álcali
En la industria, el NaOH, Cl2 y H2 se producen por electrólisis de una solución saturada de NaCl, y a partir de esto se producen una serie de productos químicos, lo que se denomina industria cloro-álcali. La industria cloro-álcali es una de las industrias químicas más básicas y sus productos se utilizan ampliamente en la industria ligera, textil, metalurgia, petroquímica y servicios públicos.
1. Principio de reacción de la electrólisis de una solución salina saturada
El principio de electrólisis de una solución salina saturada es similar al de la electrólisis de una solución de cloruro de cobre.
En el Experimento 3, el tubo en forma de U se llena con agua salada saturada, la varilla de carbono sirve como ánodo y la varilla de hierro sirve como cátodo (como se muestra a la derecha). Al mismo tiempo, agregue unas gotas de solución de prueba de fenolftaleína en los dos tubos de ensayo y coloque el papel de prueba de almidón y yoduro de potasio húmedo cerca del ánodo. Después de conectar la fuente de alimentación de CC, preste atención al fenómeno en el tubo de ensayo y al cambio de color del papel de prueba.
Se puede ver en el experimento que se libera gas en ambos electrodos del tubo en forma de U. El gas liberado por el ánodo tiene un olor acre y puede hacer que el papel de prueba de almidón y yoduro de potasio húmedo se vuelva azul, lo que indica que el gas liberado por el cátodo es H2, y se descubre que la solución cerca del cátodo se vuelve roja; indicando que se generan sustancias alcalinas en la solución.
¿Por qué ocurren estos fenómenos experimentales?
Esto se debe a que el NaCl es un electrolito fuerte y está completamente ionizado en la solución. El agua es un electrolito débil y también está débilmente ionizado, por lo que hay cuatro iones en la solución: Na+, H+, Cl- y. OH-. Cuando se enciende la alimentación de CC, los OH- y Cl- cargados negativamente se mueven hacia el ánodo, y los Na+ y H+ cargados positivamente se mueven hacia el cátodo. En tales condiciones de electrólisis, el Cl- pierde electrones más fácilmente que el OH- y se oxida en átomos de cloro en el ánodo. Los átomos de cloro se combinan para formar moléculas de cloro y se liberan, haciendo que el papel de prueba de almidón y yoduro de potasio húmedo se vuelva azul.
Reacción anódica: 2cl-2e-= Cl2 = (reacción de oxidación)
El H+ puede obtener electrones más fácilmente que el Na+, por lo que el H+ obtiene continuamente electrones del cátodo y se reduce a hidrógeno. Los átomos, combinados en moléculas de hidrógeno, se liberan del cátodo.
Reacción catódica: 2h++2e-= H2 ↑ (reacción de reducción)
En la reacción anterior, el H+ se produce por la ionización del agua. A medida que H+ continúa ganando electrones en el cátodo, se genera y libera H2, destruyendo el equilibrio de ionización del agua cercana, y las moléculas de agua continúan ionizando H+ y OH-.
El H+ adquiere continuamente electrones y los convierte en H2. Esto da como resultado un aumento relativo en la concentración de OH- en la solución catódica, lo que hace que la solución de prueba de fenolftaleína se vuelva roja. Por lo tanto, la reacción general de electrólisis de salmuera saturada se puede expresar como:
Utilizando este principio de reacción, se producen industrialmente sosa cáustica, cloro e hidrógeno.
En el experimento anterior de electrolizar salmuera saturada, pueden ocurrir reacciones químicas entre los productos de la electrólisis. Por ejemplo, una solución de NaOH y Cl2 pueden reaccionar para formar NaClO, y una mezcla de H2 y Cl2 puede explotar cuando se expone al fuego. En la producción industrial, para evitar la mezcla de estos productos, las reacciones se suelen realizar en celdas electrolíticas especiales.
Dos. Producción de soda cáustica mediante el método de membrana de intercambio iónico
La tecnología de producción de álcali electrolítico más avanzada del mundo es el método de membrana de intercambio iónico. La investigación sobre esta tecnología se inició en los años cincuenta y la producción industrial se inició en los años ochenta.
Los electrolizadores de membrana iónica se componen principalmente de ánodos, cátodos, membranas de intercambio iónico, marcos de electrolizadores y barras de cobre conductoras. Cada electrolizador está compuesto por múltiples celdas unitarias conectadas en serie o en paralelo. La imagen de la derecha muestra un diagrama esquemático de una celda unitaria. El ánodo de la celda electrolítica está fabricado de malla de titanio. Para extender la vida útil del electrodo y mejorar la eficiencia de la electrólisis, la malla del ánodo de titanio está recubierta con capas de óxido como titanio y rutenio. El cátodo está hecho de malla de acero al carbono recubierta de níquel; una membrana de intercambio catiónico divide la celda electrolítica en una cámara catódica y una cámara anódica. La membrana de intercambio catiónico tiene una propiedad especial, es decir, solo permite el paso de cationes, pero evita el paso de aniones y gases, es decir, solo permite el paso de Na+, y el Cl-, OH- y los gases no. pasar por. Esto no solo puede evitar que el H2 producido por el cátodo y el Cl2 producido por el ánodo se mezclen y provoquen una explosión, sino que también evita la reacción de la solución de Cl2 y NaOH para formar NaClO, lo que afectará la calidad de la soda cáustica. La siguiente imagen muestra un electrolizador de membrana de intercambio iónico (incluidas 16 celdas).
La solución de sal saturada refinada ingresa a la cámara del ánodo; agregue agua pura (agregue una cierta cantidad de solución de NaOH) a la cámara del cátodo. Cuando se aplica electricidad, el H2O se descarga en la superficie del cátodo para generar H2. El Na+ pasa a través de la membrana iónica desde la cámara del ánodo a la cámara del cátodo, y la solución del cátodo exportada contiene NaOH. Cl- se descarga en la superficie del ánodo para producir Cl2. La salmuera ligera electrolizada se extrae del ánodo y puede reutilizarse para preparar salmuera.
El principal proceso de producción de álcali electrolítico con membrana iónica se puede expresar simplemente como se muestra en la siguiente figura:
La principal materia prima de la producción de álcali electrolítico es la salmuera saturada. contiene sedimentos,
Al refinar salmuera, Na2CO3, NaOH, BaCl2, etc. Normalmente se añade para precipitar las impurezas, seguido de ácido clorhídrico para ajustar el pH de la salmuera. Por ejemplo:
Agregue solución de Na2CO3 para eliminar Ca2+;
Agregue solución de NaOH para eliminar Mg2+, Fe3+, etc.;
Mg2++2OH-=Mg (OH)2↓
Fe3++3OH-=Fe(OH)3↓
Para eliminar el exceso de Ba2+:
La salmuera tratada de esta manera todavía contiene algunos iones metálicos como Ca2+ y Mg2+. Debido a que estos cationes precipitarán en un ambiente alcalino y dañarán la membrana de intercambio iónico, es necesario enviar la salmuera a la torre de intercambio catiónico para eliminar aún más Ca2+ y Mg2+ a través de la resina de intercambio catiónico. En este momento, la salmuera refinada se puede enviar al tanque electrolítico para su electrólisis.
La tecnología de producción de álcalis con membrana de iones tiene las ventajas de un tamaño reducido de equipo, producción continua, gran capacidad de producción, alta calidad del producto, adaptabilidad a las fluctuaciones actuales, bajo consumo de energía y baja contaminación. Es la dirección de desarrollo de. la industria cloro-álcalina.
Tres. Producción química basada en la industria cloro-álcali
NaOH, Cl2 y H2 son materias primas importantes para la producción química, que pueden procesarse posteriormente en diversos productos químicos y se utilizan ampliamente en diversas industrias. Por lo tanto, la industria cloro-álcalina y sus productos relacionados involucran a casi todas las áreas de la economía nacional y de la vida de las personas.
El catolito que sale de la celda electrolítica contiene un 30% de NaOH, lo que se denomina álcali líquido. El álcali líquido se puede evaporar y cristalizar para obtener álcali sólido. El hidrógeno húmedo es otro producto del área del cátodo y se enfría, se lava y se comprime antes de enviarlo al tanque de almacenamiento de hidrógeno. El cloro líquido se puede obtener después de enfriar, secar, purificar y comprimir el cloro gaseoso húmedo generado en el área del ánodo.
Los principales usos de la producción química y de los productos basados en la industria cloro-álcalina se muestran en la siguiente figura.
Con el aumento de la conciencia ambiental de la gente, la contaminación causada por la producción química basada en la industria cloro-álcalina y el impacto de sus productos en el medio ambiente han atraído cada vez más atención. Por ejemplo, se ha descubierto que algunos disolventes organoclorados son cancerígenos y los clorofluorocarbonos pueden destruir la capa de ozono, por lo que se ha detenido la producción de algunos productos organoclorados. Al tiempo que se aprovecha plenamente el papel de la industria cloroalcalina y la producción química basada en la industria cloroálcalina en el desarrollo de la economía nacional, debemos tratar de minimizar sus efectos adversos sobre el medio ambiente.
El desarrollo de la industria cloro-álcalina de China
La primera planta de cloro-álcali de China fue la planta electroquímica de Shanghai Tianyuan (ahora predecesora de la planta química de Shanghai Tianyuan). 1930, con una producción diaria de 2 toneladas de sosa cáustica. En el momento de la liberación en 1949, sólo había unas pocas plantas de cloro-álcali en el país y la producción anual de soda cáustica era de sólo 15.000 toneladas. Los únicos productos con cloro disponibles son el ácido clorhídrico, el cloro líquido y el polvo blanqueador.
En los últimos años, la industria cloro-álcalina de China ha logrado grandes avances en términos de producción, calidad, variedad y tecnología de producción. Hacia 1.990, la producción de sosa cáustica alcanzó las 331.000 toneladas, ocupando el tercer lugar a nivel mundial después de Estados Unidos y Japón. En 1995, la producción de sosa cáustica alcanzó los 4,96 millones de toneladas, de las cuales 562.000 toneladas se produjeron mediante electrólisis de membrana iónica, lo que representó el 11,3% de la producción total. Se estima que en el año 2000, la producción anual de sosa cáustica alcanzará los 5,4 millones de toneladas, de las cuales 654,38+800.000 toneladas se producirán mediante electrólisis de membrana iónica, lo que representa el 33,3%.