Xenode
برند ایرانی تولیدکننده انواع آندهای MMO

 


صنعت تولید کلرات

مقدمه

سدیم کلرات ]1 [ یک ترکیب بلوری سفید معدنی با فرمول شیمیایی NaClO3 است که قابلیت انحلال بسیار زیادی در آب دارد. این ماده که از الکترولیز ]2 [نمک (کلرید سدیم) و آب در حد چند صد میلیون تن در سال تولید می ‌شود، عمدتا برای استفاده در سفید کننده خمیر کاغذ برای تولید کاغذ با سفیدی بالا به کار می ‌رود. فاکتورهای محیط زیستی و پایداری باعث تمرکز روی کاهش انرژی مورد نیاز برای تولید سدیم کلرات شده است. شکل 1 راه‌های کاهش انرژی مورد نیاز برای تولید کلرات را نشان می ‌دهد. آندهایی مخلوط اکسید فلزی ]3 [ (MMO) به دلیل قابلیت کاهش اورپتانسیل واکنش‌ های مطلوب و افزایش اورپتانسیل واکنش ‌های نامطلوب و همچنین طول عمر بالا به طور گسترده‌ای در صنعت تولید کلرات استفاده می‌ شوند.

شکل 1_ پارامترهای موثر در مصرف انرژی برای تولید کلرات

مکانیزم تولید کلرات

کلرات سدیم با روش الکترولیز محلول‌های سدیم کلرید تولید می ‌شود. واکنش کلی به صورت زیر است:

NaCl + 3 H2O + 6 e- → NaClO3 + 3 H2

آندهای با پایداری ابعادی[4]  و کاتدهای از جنس فولاد کم کربن یا تیتانیوم در سل الکترولیز استفاده می‌ شوند. واکنش ‌های آند و کاتد به طور پیوسته باعث اسیدی شدن الکترولیت نزدیک آند و قلیایی شدن الکترولیت نزدیک کاتد می ‌شوند. بنابراین، یک گرادیان pH در سراسر سل ایجاد می شود و این بدان معنی است که یون ‌های هیدروکسیل (OH-) تشکیل شده در واکنش کاتد می ‌توانند کلر تشکیل شده در واکنش آند را هیدرولیز کنند. تعادل ترمودینامیکی هیدرولیز گاز کلر به صورت زیر است:

Cl2 + 2OH- ↔ ClO- + H2O +Cl-

به طور همزمان، آب نیز می ‌تواند گاز کلر را با توجه با واکنش 1-3 زیر هیدرولیز کند. . هیپوکلرواسید تشکیل شده با آب واکنش می ‌دهد (واکنش 1-4).

Cl2 + H2O → H+ + HOCl + Cl-

HOCl + H2O → ClO- + H3O+

هیپوکلرواسید و هیپوکلریت با هم واکنش می‌ دهند و کلرات (- ClO3) را تولید می ‌کنند (1-5 واکنش).

2HOCl + ClO- → ClO3- + 2H+ + 2Cl-

 

- pH و دما

واکنش 1-5 یک واکنش شیمیایی کاملاً همگن است که وابستگی زیادی به pH  و دما دارد. حداکثر سرعت تولید کلرات در شرایط صنعتی در محدده pH 6.1 الی 6.4 و در محدوده دمای 80 تا 90 درجه سانتیگراد است. این محدوده pH که در فرآیند کلرات استفاده می ‌شود برای جلوگیری از تشکیل گاز کلر و گاز اکسیژن انتخاب می ‌شود. دمای فرآیند برای افزایش سرعت واکنش 1-5 بالا نگه داشته می ‌شود. با این حال، سرعت تصاعد اکسیژن مزاحم نیز افزایش می ‌یابد. دمای انتخاب شده باید دارای یک بهینه برای حداقل سرعت تصاعد اکسیژن و حداکثر سرعت واکنش ‌های مورد نظر است. فرایند تولید کلرات یک فرایند چند مرحله ‌ای با مصرف انرژی بالا است که در نیروگاه ‌ها انجام می‌ شود. این امر مستلزم حفظ تعادل شیمیایی مناسب و اجرای دقیق است. به عنوان یک نتیجه، این فرآیند بسیار به pH و دما وابسته است. شکل 2 شماتیک کارخانه تولید کلرات را نشان می ‌دهد.

شکل 2 شماتیک کارخانه تولید کلرات.

کاربرد کلرات

دیم کلرات در صنایع کاغذ، خودرو، ساخت و ساز، پزشکی، هوافضا، تجهیزات صنعتی و آزمایشگاه ‌های شیمیایی استفاده می ‌شود. بیشترین کاربرد کلرات سدیم برای تولید دی اکسید کلر (ClO2) است که برای سفید کردن خمیرکاغذ استفاده می ‌شود. شکل 2 ظرفیت تولید جهانی سدیم کلرات در سال 2013 نشان می ‌دهد که بیشترین میزان کلرات سدیم (43٪) در آمریکای شمالی (ایالات متحده و کانادا) تولید می ‌شود. اروپا با 19 درصد بزرگترین تولید کننده بعدی است و 41 درصد باقی مانده را بقیه کشورهای جهان تولید می ‌شود.

شکل 3_ ظرفیت تولید جهانی کلرات در سال 2013

چالش‌های تولید کلرات

- سدیم دی کرومات

یکی از بزرگترین معایب تولید کلرات استفاده از سدیم دی کرومات است. اطلاعات زیادی در رابطه با سمی بودن کرومات‌های شش ظرفیتی (VI) وجود دارد. سدیم دی کرومات (SD) به عنوان یک ماده سرطان زا، عامل نقایص ژنتیکی و سم شناخته شده است. متاسفانه هیچ جایگزینی از نظر فنی یا اقتصادی امکان پذیر برای دی کرومات سدیم وجود ندارد که مانع استفاده از گونه‌های Cr (VI) برای تولید کلرات سدیم شود و این چالش برای آینده نیز ادامه خواهد داشت.

 

- تصاعد اکسیژن

یکی دیگر از چالش ‌های تولید کلرات واکنش جانبی و نامطلوب تصاعد اکسیژن روی سطح آند است که موجب کاهش راندمان فرایند الکترولیز می‌ شود. به این منظور از آندهای مخلوط اکسید فلزی (MMO) به عنوان مهمترین گزینه جهت کاهش تصاعد اکسیژن استفاده می ‌کنند که علاوه بر صرفه جویی در مصرف انرژی دارای طول عمر بالایی نیز هستند.

 

- مصرف انرژی و نگرانی‌های زیست محیطی

چالش مهم دیگردر تولید هرماده صنعتی میزان مصرف انرژی است. مصرف انرژی بالا نه تنها به معنای هزینه بالا برای تولید کننده بلکه افزایش تولید گازهای گلخانه‌ای با مصرف بالای سوخت‌های فسیلی است. چنانچه پیش‌تر ذکر شد، آندهای دارای پایداری ابعادی (DSA) از جمله مهمترین راه حل‌های کاهش میزان انرژی مصرفی و حفاظت از محیط زیست شناخته شده ‌اند.

 


1.Sodium chlorate

2.Electrolysis

3.Mixed Metal Oxide

4. Dimensionally Stable Anodes

5. Sodium Dichromat


 

گالری تصاویر
  • 1
  • 2