Chlor-Alkali-Elektrolyse
INHALT
Allgemeines
Teilchenfluss bei
Elektrolyse
Amalgam-Verfahren
Diaphragma-Verfahren
Schmelzflusselektrolyse (Downs-Verfahren)
Allgemeines
Teilchenfluss bei
Elektrolyse Das Amalgam-Verfahren Reaktionsgleichung Die Reaktion, die beim Amalgamverfahren abläuft, kann man folgendermaßen zusammenfassen: Das Diaphragma-Verfahren Reaktionsgleichung
Schmelzflusselektrolyse (Downs-Verfahren) Reaktionsgleichung Kathode (-): 2Na+ + 2e- 2Na
Als Modellversuch für die
Chlor-Alkali-Elektrolyse kann eine NaCl-Lösung mit Universalindikator im Hofmannschen Apparatel ektrolysiert werden: In der Lösung sind Na+-Ionen, Cl--Ionen,H3O+-Ionen und OH--Ionen An der Anode scheidet sich Cl2 ab, an der Kathode entsteht H2-Gas (da Wasserstoff edler ist als Natrium) 2 H3O+ + 2 e- H2+ 2 H2O (Wasserstoff wird reduziert) 2 Cl- Cl2 + 2 e- (
Chlor wird oxidiert) Im Wasser bleiben schließlich Na+-Ionen und OH--Ionen.
Das Amalgam-Verfahren in der Industrieellen Nutzung
2NaCl (aq) + 2H2O (l) Cl2 (g) + 2NaOH (aq) + H2 Anode (+): 2NaCl 2 Na+ + 2 Cl- 2Cl- Cl2 + 2e- 2NaCl 2Na+ + Cl2 + 2e- Kathode (-): 2H2O 2H+ + 2OH- 2H+ + 2e- H2 2H2O + 2e- 2OH- + H2
Gesamtvorgang: 2NaCl + 2H2O 2NaOH + Cl2 + H2 Gesamtreaktion: 2NaCl 2Na + Cl2 Anode (+): 2Cl- Cl2 + 2e-
Notizen:
Als Modellversuch für die
Chlor-Alkali-Elektrolyse kann eine NaCl-Lösung mit Universalindikator im Hofmannschen Apparatel ektrolysiert werden: In der Lösung sind Na+-Ionen, Cl--Ionen,H3O+-Ionen und OH--Ionen An der Anode scheidet sich Cl2 ab, an der Kathode entsteht H2-Gas (da Wasserstoff edler ist als Natrium) 2 H3O+ + 2 e- => H2+ 2 H2O (Wasserstoff wird reduziert) 2 Cl- => Cl2 + 2 e- (
Chlor wird oxidiert) Im Wasser bleiben schließlich Na+-Ionen und OH--Ionen. Das Amalgamverfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von
Chlor (Cl2) und Natronlauge (NaOH). Dabei wird Steinsalz in 80°C heißem Wasser gelöst und von Verunreinigungen befreit. Anschließend gelangt die
Natriumchlorid in ein Vorratsbecken, welches die
Elektrolysezelle kontinuierlich mit Lösung oder Sole versorgt.
Die
Elektrolysezelle ist ein leicht geneigter Trog aus Stahl. Am Boden dieses Behältnisses fließt ein 3mm dünner Quecksilberfilm, welches die Kathode darstellt. Im oberen Bereich des Zelle befinden sich bis zu 180 Anoden aus Titan (chemisch beständig). Sie sind mit einer schützenden Edelmetalloxidschicht überzogen. Der Abstand zwischen Anode und Kathode ist 3mm und muss konstant bleiben. Die
Elektrolyse wird bei 4V durchgeführt. Wegen der hohen Überspannung von Sauerstoff an Titan bildet sich an der Anode
Chlor. Dieses wird mit Hilfe von konzentrierter Schwefelsäure getrocknet. Anschließend kühlt man das Gas ab und verflüssigt es indem man es unter hohen Druck setzt. Ein geringer Teil des
Chlor bleibt jedoch in des Sole gelöst. Es wird später in einem Abscheidern von der Salzlösung getrennt und anschließend ebenfalls verflüssigt. Die Quecksilber-Kathode reduziert die Natrium-Ionen aus der Lösung, dabei entsteht flüssiges Natriumamalgam. Die Bildung des Natriums ist mit der extrem hohen Überspannung von Wasserstoff an Quecksilber zu erklären. Außerdem wird die zur Abscheidung von Natrium benötigte Energie um den Betrag verringert der bei der Entstehung von Natriumamalgam freiwird. Das Natriumamalgam wird nach der
Elektrolysezelle in einen Amalgamzersetzter geleitet. Dort findet eine Reaktion des Amalgams mit Wasser statt, dabei wird Wasserstoff freigesetzt und es entsteht Natronlauge. Das nun natriumfreie Quecksilber wird der
Elektrolysezelle wieder zugeführt. Da die entstandene Natronlauge (50%) sehr rein ist kann sie direkt an den Verbraucher weitergegeben werden. Die verdünnte Salzlösung (23%) wird in die Salzlösestation zurückgepumpt und wird da wieder auf 27% angereichert. Vorteile des Amalgam-Verfahrens: Ein wesentlicher Vorteil des Quecksilber-Verfahrens gegenüber dem Diaphragma- und dem Downs-Verfahren besteht darin, dass die Natronlauge getrennt von der
Natriumchloridlösung erzeugt wird. So entsteht eine sehr reine und hoch konzentrierte Lauge. Nachteile: Ein gewisser Nachteil ist darin zu sehen, dass mit dem Abfluss aus der Amalgamerzeugungszelle zwangsläufig Quecksilber oder Quecksilberverbindungen mitgeführt werden. Da diese sehr giftig sind und ein Umweltrisiko darstellen, müssen sie unter hohem Kostenaufwand aus den Elektrolytabwässern entfernt werden. Bei dem Amalgam-Verfahren arbeitet man mit einer Quecksilberkathode: Das Quecksilber fließt ständig als breites Band über den Boden der
Elektrolysezelle. Am Quecksilber scheidet sich Natrium ab, das sich mit dem Quecksilber zu der Legierung Natriumamalgam (NaHg) umsetzt. An der Anode werden
Chlorid-Ionen entladen, wobei sich elementares
Chlor bildet. Das Natriumamalgam wird in eine zweite Wanne geleitet, wo es mit Wasser zersetzt wird. Dabei bilden sich Wasserstoff und konzentrierte Natronlauge: Vorteile des Diaphragma-Verfahrens: Das entstehende
Chlor ist sehr rein. Der Energieaufwand je kg
Chlor beträgt etwa 3 kWh und ist damit etwas geringer als beim Amalgam-Verfahren (3,5 kWh/kg
Chlor). Außerdem können
Hypochlorite und Chlorate hergestellt werden. Nachteile: Die entstehende Natronlauge ist relativ verdünnt und mit
Natriumchlorid verunreinigt. Daher ist eine nachfolgende Salzabtrennung und ein Eindampfen der Natronlauge notwendig. * * * Als Modellversuch für die
Chlor-Alkali-Elektrolyse kann eine NaCl-Lösung mit Universalindikator im Hofmannschen Apparatel ektrolysiert werden: In der Lösung sind Na+-Ionen, Cl--Ionen,H3O+-Ionen und OH--Ionen An der Anode scheidet sich Cl2 ab, an der Kathode entsteht H2-Gas (da Wasserstoff edler ist als Natrium) 2 H3O+ + 2 e- => H2+ 2 H2O (Wasserstoff wird reduziert) 2 Cl- => Cl2 + 2 e- (
Chlor wird oxidiert) Im Wasser bleiben schließlich Na+-Ionen und OH--Ionen. Das Amalgamverfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von
Chlor (Cl2) und Natronlauge (NaOH). Dabei wird Steinsalz in 80°C heißem Wasser gelöst und von Verunreinigungen befreit. Anschließend gelangt die
Natriumchlorid in ein Vorratsbecken, welches die
Elektrolysezelle kontinuierlich mit Lösung oder Sole versorgt. Die
Elektrolysezelle ist ein leicht geneigter Trog aus Stahl. Am Boden dieses Behältnisses fließt ein 3mm dünner Quecksilberfilm, welches die Kathode darstellt. Im oberen Bereich des Zelle befinden sich bis zu 180 Anoden aus Titan (chemisch beständig). Sie sind mit einer schützenden Edelmetalloxidschicht überzogen. Der Abstand zwischen Anode und Kathode ist 3mm und muss konstant bleiben. Die
Elektrolyse wird bei 4V durchgeführt. Wegen der hohen Überspannung von Sauerstoff an Titan bildet sich an der Anode
Chlor. Dieses wird mit Hilfe von konzentrierter Schwefelsäure getrocknet. Anschließend kühlt man das Gas ab und verflüssigt es indem man es unter hohen Druck setzt. Ein geringer Teil des
Chlor bleibt jedoch in des Sole gelöst. Es wird später in einem Abscheidern von der Salzlösung getrennt und anschließend ebenfalls verflüssigt. Die Quecksilber-Kathode reduziert die Natrium-Ionen aus der Lösung, dabei entsteht flüssiges Natriumamalgam. Die Bildung des Natriums ist mit der extrem hohen Überspannung von Wasserstoff an Quecksilber zu erklären. Außerdem wird die zur Abscheidung von Natrium benötigte Energie um den Betrag verringert der bei der Entstehung von Natriumamalgam freiwird. Das Natriumamalgam wird nach der
Elektrolysezelle in einen Amalgamzersetzter geleitet. Dort findet eine Reaktion des Amalgams mit Wasser statt, dabei wird Wasserstoff freigesetzt und es entsteht Natronlauge. Das nun natriumfreie Quecksilber wird der
Elektrolysezelle wieder zugeführt. Da die entstandene Natronlauge (50%) sehr rein ist kann sie direkt an den Verbraucher weitergegeben werden. Die verdünnte Salzlösung (23%) wird in die Salzlösestation zurückgepumpt und wird da wieder auf 27% angereichert. Vorteile des Amalgam-Verfahrens: Ein wesentlicher Vorteil des Quecksilber-Verfahrens gegenüber dem Diaphragma- und dem Downs-Verfahren besteht darin, dass die Natronlauge getrennt von der
Natriumchloridlösung erzeugt wird. So entsteht eine sehr reine und hoch konzentrierte Lauge. Nachteile: Ein gewisser Nachteil ist darin zu sehen, dass mit dem Abfluss aus der Amalgamerzeugungszelle zwangsläufig Quecksilber oder Quecksilberverbindungen mitgeführt werden. Da diese sehr giftig sind und ein Umweltrisiko darstellen, müssen sie unter hohem Kostenaufwand aus den Elektrolytabwässern entfernt werden. Bei dem Amalgam-Verfahren arbeitet man mit einer Quecksilberkathode: Das Quecksilber fließt ständig als breites Band über den Boden der
Elektrolysezelle. Am Quecksilber scheidet sich Natrium ab, das sich mit dem Quecksilber zu der Legierung Natriumamalgam (NaHg) umsetzt. An der Anode werden
Chlorid-Ionen entladen, wobei sich elementares
Chlor bildet. Das Natriumamalgam wird in eine zweite Wanne geleitet, wo es mit Wasser zersetzt wird. Dabei bilden sich Wasserstoff und konzentrierte Natronlauge: Vorteile des Diaphragma-Verfahrens: Das entstehende
Chlor ist sehr rein. Der Energieaufwand je kg
Chlor beträgt etwa 3 kWh und ist damit etwas geringer als beim Amalgam-Verfahren (3,5 kWh/kg
Chlor). Außerdem können
Hypochlorite und Chlorate hergestellt werden. Nachteile: Die entstehende Natronlauge ist relativ verdünnt und mit
Natriumchlorid verunreinigt. Daher ist eine nachfolgende Salzabtrennung und ein Eindampfen der Natronlauge notwendig. Das
Alkalimetall Natrium wird heute hauptsächlich durch eine
Schmelzflusselektrolyse eines Gemisches von etwa 30%
Natriumchlorid (NaCl) mit 25%
Calciumchlorid (CaCl2) und 45%
Bariumchlorid (BaCl2) als Flussmittel hergestellt. Die Badtemperatur beträgt etwa 600°C , die
Elektrolyse erfolgt bei 6-7 Volt und bei Stromstärken von mehr als 40000 Ampere. Zur Verhinderung der Rückreaktion von Natrium und
Chlor ist die Eisenkathode durch feine Drahtnetze aus Stahl von der übrigen Zelle getrennt. Das sich an der Kathode abscheidende flüssige Natrium steigt nach oben und sammelt sich in einer Rinne, von wo es über ein eisernes Steigrohr kontinuierlich abfließt. Das an der Graphitanode gebildete
Chlor sammelt sich unter einer darüberliegenden Glocke und wird daraus abgesaugt. Zur Herstellung von einer Tonne Natrium werden etwa 2,6 Tonnen Salz und ca. 10000 kWh an Energieaufwand benötigt. Zur technischen Darstellung von
Chlor elektrolysiert man seit 1892 wässrige Lösungen von
Natriumchlorid. Außer
Chlor entstehen dabei noch Wasserstoff und Natronlauge, was gewisse Probleme für die Verwendung der zwangsläufig miteinander gekoppelten drei
Elektrolyseprodukte aufwirft. Es muss bei der
Chloralkali-Elektrolyse verhindert werden, dass die kathodisch durch Entladung der Wasserstoff-Ionen des Wassers neben Wasserstoff gebildete Lauge (OH-) mit dem anodisch durch Entladung der
Chloridionen des Natriumchlorids gebildeten
Chlor in Berührung kommt. Ansonsten würde nach der Gleichung 2OH- +Cl2 ---> OCl- + Cl- + H2O unter gleichzeitiger Rückbildung von
Chlorid Hypochlorit entstehen, bzw. der Wasserstoff mit dem
Chlor ein Chlorknallgas-Gemisch ergeben. Man erreicht dies in hohem Maße mit der Trennung von Kathoden- und Anodenraum durch eine poröse Scheidewand. Der Kathodenvorgang des Diaphragma-Verfahrens besteht in einer Entladung der durch Dissoziation des Wassers gebildeten Wasserstoffionen, der Anodenvorgang in einer Entladung der aus der Dissoziation des
Natriumchlorids stammenden
Chloridionen. Die nicht entladenen Natrium- und Hydroxidionen bleiben in der Lösung als Natriumhydroxid zurück. Als Kathoden dienen Stahlelektroden, als Anoden Elektroden aus Graphit oder aktiviertem Titan. Das Diaphragma besteht aus feinporigem Asbest. Der Wasserstoff setzt sich an der Kathode ab, das
Chlor an der Anode. Die Natriumionen gelangen durch das Diaphragma in den Kathodenraum und bilden dort mit den OH--Ionen etwa 15%-ige Natronlauge, die in einem weiteren Prozess auf 50% eingedampft wird.
