صنعت کلرآلکالی
مقدمه
فرایند کلرآلکالی در صنایع شیمی دارای نقشی بی بدیل است چرا که محصولات آن، در بیش از پنجاه درصد فرایندهای شیمیایی صنعتی کاربرد دارد. اصطلاح کلر-آلکالی به دو ماده شیمیایی (گاز کلر و یک محلول قلیایی) اشاره دارد که به طور همزمان با الکترولیز آب نمک تولید میشوند. حدود 97% گاز کلر و 100% سودسوزآور در جهان از طریق فرایند الکترولیز تولید میشوند. در سال 2008 چین با ظرفیت تولید 8/62 میلیون تن کلر_آلکالی به عنوان بزرگترین تولیدکننده و مصرف‌کننده محصولات کلر-آلکالی تبدیل شد.
آندها و غشا از مهمترین بخش‌های سل‌های الکترولیز کلرآلکالی هستند که آندهای مخلوط اکسید فلزی (mmo) به دلیل پایداری و اورپتانسیل پایین به طور گسترده ای در صنعت کلر-آلکالی استفاده می شوند.
فرایند کلرآلکالی
مکانیزم کلرآلکالی
الکترولیز کلر-آلکالی شامل دو نیم واکنش تصاعد هیدروژن روی سطح کاتد و واکنش تصاعد کلر روی سطح آند است. همچنین این فرایند با تشکیل هیدروکسید سدیم در الکترولیت همراه است. واکنش مربوط به تولید هر یک از موارد ذکر شده به شرح زیر می‌باشد.
|
در سطح آند |
2Cl- → Cl2 + 2e |
|
در سطح کاتد |
2H2H + 2e → H2 + 2OH |
|
واکنش کلی |
2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + Cl2 + H2 |
انواع الکترولایزرهای تولید کلر-آلکالی
3 نوع فرایند الکترولیتی در تولید گاز کلر و هیدروکسید سدیم استفاده میشوند: فرایند سل دیافراگمی، فرایند سل جیوه‌ای و فرایند سل غشایی.
سل دیافراگمی
در اواخر سال 1880 تا 1890 کارخانه‌‌های دیافراگمی تجاری شروع به کار کردند. پیشرفت‌‌های پیوسته تا سال 1920 ادامه یافت. ماده عمده مورد استفاده در سل دیافراگمی پنبه نسوز ]1 [بود و تا 80 سال بعد نیز ادامه یافت. در فرایند سل دیافراگمی، پنبه نسوز یا مواد مناسب دیگر برای جدا کردن سودسوزآور از گاز کلر استفاده میشوند. سل دیافراگمی حدود 12% محلول سودسوزآور تولید می‌‌کند اما مهمترین عیب آن مقدار نمک بالا در سودسوزآور است. به دلیل ملاحضات هزینه (چگالی جریان) از سال 1970، زیرلایه تیتانیم پوشش داده شده با یک لایه کاتالیستی از مخلوط اکسید فلزی (mmo) توسعه یافت. این آندها به صورت موفقیت آمیزی با طول عمر بالا و ولتاژ سل پایین استفاده شده اند. این آندها به عنوان آندهای دارای پایداری ابعادی شناخته می شوند و توسط همه تامین کننده‌های تکنولوژی استفاده می شوند.
سل جیوه‌ای
سل جیوه‌ای کاستنر-کلنر ]2 [در سال 1892 شروع به کار کرد. سل جیوه‌ای از سل دیافراگمی تا حدی متفاوت است. سلول جیوه از یک الکترولیزر و یک صاف‌کننده یا تجزیه‌کننده تشکیل شده است. فرایند سل جیوه‌ای برای تولید سود سوزآور با بالاترین کیفیت شناخته می‌شود. اما عیب عمده آن وجود جیوه در محصولات آن است. همچنین به دلیل طبیعت آلوده کننده جیوه، راه اندازی واحدهای جیوه‌ای در جهان متوقف شده است.
سل غشایی
ژاپن نخستین کشور تولیدکننده عمده کلر-آلکالی با استفاده از سل غشایی است. مصرف انرژی در سل غشایی کمترین مقدار در مقایسه با سایر تکنولوژی ها است. اصل کلیدی در فرایند غشایی نفود انتخابی در غشا است. غشا تنها اجازه عبور اجزای خاصی را می‌‌دهد. غشا تبادل-یونی سمت کاتدی و سمت آندی را تفکیک می کند.
کاربردها
تولید گاز کلر می‌تواند یک شاخص برای توسعه صنعت شیمیایی یک کشور باشد. سدیم هیدروکسید و گاز کلر در تولید مواد شوینده، علف کش‌‌ها، سموم دفع آفات، داروها، پلاستیک‌ها و صابون‌ها استفاده می شوند. بزرگترین زمینه مورد استفاده برای کلر در ساخت پلی وینیل کلراید است، در حالی که بیشترین کاربرد آن در مواد شیمیایی غیر آلی تولید دی اکسید تیتانیوم است. در مولکول پلی وینیل کلراید، بیش از نیمی از وزن آن از کلر است. تولید برخی از پلاستیک‌ها مانند پلی اورتان‌ها و رزین‌های اپوکسی که در مولکول خود کلر ندارند نیز به فرآیند کلر نیاز دارند. افزون بر این، گاز هیدروژن به عنوان محصول جانبی فرایند کلر-آلکالی می‌تواند تقاضای افزاینده برای سوخت هیدروژنی در سل سوخت وسایل نقلیه را فراهم سازد.
مصرف انرژی و چالش‌های زیست محیطی
صنعت کلرآلکالی در بین فرایندهای با بالاترین مصرف انرژی و تصاعد گاز آلوده کننده قرار دارد که اثری جدی روی محیط زیست و زندگی انسان دارد. که برای حذف سل جیوه‌ای نسل جدیدی از غشاهای تبادل یونی توسعه یافته است. چنانچه الکترولیز سدیم کلرید، بزرگترین مقیاس سنتز الکتریکی و مصرف‌کننده الکتریسیته است به طوری که چنین کارخانه‌هایی نزدیک نیروگاه برق و منابع نمک ساخته می‌شدند. بنابراین کاهش مصرف انرژی یکی از چالش‌های اساسی تولید کلرآلکالی است. یکی از مسائل مهم در کاهش مصرف انرژی، استفاده از آندهای دارای پایداری ابعادی (MMO) جهت کاهش تولید اکسیژن به عنوان محصول جانبی (افزایش بازدهی) و کاهش پتانسیل برای تصاعد گاز کلر بوده است.
- Asbestos
- Castner–Kellner mercury cell