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El proceso cloro-álcali (también cloro-álcali y cloro -álcali ) es un proceso industrial para la electrólisis de soluciones de cloruro de sodio (NaCl). Es la tecnología utilizada para producir cloro e hidróxido de sodio (sosa cáustica), [1] que son productos químicos básicos requeridos por la industria. Treinta y cinco millones de toneladas de cloro se prepararon mediante este proceso en 1987. [2] El cloro y el hidróxido de sodio producidos en este proceso se utilizan ampliamente en la industria química.
Por lo general, el proceso se lleva a cabo en una salmuera (una solución acuosa de NaCl concentrado), en cuyo caso se obtienen hidróxido de sodio (NaOH), hidrógeno y cloro. Cuando se utiliza cloruro de calcio o cloruro de potasio , los productos contienen calcio o potasio en lugar de sodio. Se conocen procesos relacionados que utilizan NaCl fundido para dar cloro y sodio metálico o cloruro de hidrógeno condensado para dar hidrógeno y cloro.
El proceso tiene un alto consumo de energía, por ejemplo alrededor de 2.500 kWh (9.000 MJ) de electricidad por tonelada de hidróxido de sodio producido. Debido a que el proceso produce cantidades equivalentes de cloro e hidróxido de sodio (dos moles de hidróxido de sodio por mol de cloro), es necesario encontrar un uso para estos productos en la misma proporción. Por cada mol de cloro producido, se produce un mol de hidrógeno. Gran parte de este hidrógeno se utiliza para producir ácido clorhídrico , amoníaco , peróxido de hidrógeno o se quema para la producción de energía y/o vapor. [3]
El proceso de cloro-álcali se utiliza desde el siglo XIX y es una industria primaria en los Estados Unidos , Europa Occidental y Japón . [4] [5] Se ha convertido en la principal fuente de cloro durante el siglo XX. [6] El proceso de celda de diafragma y el proceso de celda de mercurio se han utilizado durante más de 100 años, pero son perjudiciales para el medio ambiente debido al uso de amianto y mercurio , respectivamente. El proceso de celda de membrana, que solo se desarrolló en los últimos 60 años, es un método superior con su eficiencia energética mejorada y la falta de productos químicos dañinos. [5]
Aunque la primera formación de cloro mediante la electrólisis de la salmuera se atribuyó al químico William Cruikshank en 1800, no fue hasta 90 años después que el método electrolítico se utilizó con éxito a escala comercial. La producción a escala industrial comenzó en 1892. [7] En 1833, Faraday formuló las leyes que regían la electrólisis de soluciones acuosas, y se otorgaron patentes a Cook y Watt en 1851 y a Stanley en 1853 para la producción electrolítica de cloro a partir de salmuera. [7]
Se utilizan tres métodos de producción. Si bien el método de celdas de mercurio produce hidróxido de sodio sin cloro, el uso de varias toneladas de mercurio genera graves problemas ambientales. En un ciclo de producción normal se emiten unos cientos de libras de mercurio por año, que se acumulan en el medio ambiente. Además, el cloro y el hidróxido de sodio producidos mediante el proceso de cloro-álcali con celdas de mercurio están contaminados con trazas de mercurio. El método de membrana y diafragma no utiliza mercurio, pero el hidróxido de sodio contiene cloro, que debe eliminarse.
El proceso cloro-álcali más común implica la electrólisis de cloruro de sodio acuoso (una salmuera ) en una celda de membrana . Se utiliza una membrana, como una hecha de Nafion , Flemion o Aciplex, para evitar la reacción entre los iones de cloro e hidróxido.
La salmuera saturada pasa a la primera cámara de la celda. Debido a la mayor concentración de iones de cloruro en la salmuera, estos iones se oxidan en el ánodo y pierden electrones para convertirse en gas de cloro ( A en la figura):
En el cátodo , los iones de hidrógeno positivos extraídos de las moléculas de agua son reducidos por los electrones proporcionados por la corriente electrolítica, a gas hidrógeno, liberando iones de hidróxido en la solución ( C en la figura):
La membrana de intercambio iónico permeable a los iones en el centro de la célula permite que sólo los iones de sodio (Na + ) pasen a la segunda cámara donde reaccionan con los iones de hidróxido para producir soda cáustica (NaOH) ( B en la figura): [1]
Na ++ OH− → NaOH
La reacción global para la electrólisis de la salmuera es la siguiente:
En el proceso de la celda de diafragma, hay dos compartimentos separados por un diafragma permeable, a menudo hecho de fibras de amianto . La salmuera se introduce en el compartimento del ánodo y fluye hacia el compartimento del cátodo. De manera similar a la celda de membrana, los iones de cloruro se oxidan en el ánodo para producir cloro, y en el cátodo, el agua se divide en sosa cáustica e hidrógeno. El diafragma evita la reacción de la sosa cáustica con el cloro. Una salmuera cáustica diluida sale de la celda. La sosa cáustica generalmente debe concentrarse al 50% y la sal se elimina. Esto se hace mediante un proceso de evaporación con aproximadamente tres toneladas de vapor por tonelada de sosa cáustica. La sal separada de la salmuera cáustica se puede utilizar para saturar la salmuera diluida. El cloro contiene oxígeno y a menudo debe purificarse mediante licuefacción y evaporación.
En el proceso de celdas de mercurio, también conocido como proceso Castner-Kellner , una solución de salmuera saturada flota sobre una fina capa de mercurio. El mercurio es el cátodo, donde se produce sodio y forma una amalgama con el mercurio. La amalgama se extrae continuamente de la celda y reacciona con agua, que la descompone en hidróxido de sodio, hidrógeno y mercurio. El mercurio se recicla en la celda electrolítica. El cloro se produce en el ánodo y sale en burbujas de la celda. Las celdas de mercurio se están eliminando gradualmente debido a las preocupaciones sobre la alta toxicidad del mercurio y el envenenamiento por mercurio a causa de la contaminación de las celdas de mercurio, como ocurrió en Canadá (ver Enfermedad de Minamata en Ontario ) y Japón (ver Enfermedad de Minamata ).
La reacción general inicial produce hidróxido y también gases de hidrógeno y cloro: [8]
Sin una membrana, los iones OH − producidos en el cátodo pueden difundirse libremente por todo el electrolito. A medida que el electrolito se vuelve más básico debido a la producción de OH − , emerge menos Cl 2 de la solución, ya que comienza a desproporcionarse para formar iones de cloruro e hipoclorito en el ánodo:
Cuanto mayor sea la oportunidad que tenga el Cl2 de interactuar con el NaOH en la solución, menos Cl2 emergerá a la superficie de la solución y más rápido progresará la producción de hipoclorito. Esto depende de factores como la temperatura de la solución, la cantidad de tiempo que la molécula de Cl2 esté en contacto con la solución y la concentración de NaOH.
Asimismo, a medida que el hipoclorito aumenta su concentración, a partir de él se producen cloratos:
Esta reacción se acelera a temperaturas superiores a unos 60 °C. Se producen otras reacciones, como la autoionización del agua y la descomposición del hipoclorito en el cátodo; la velocidad de esta última depende de factores como la difusión y la superficie del cátodo en contacto con el electrolito. [9]
Si se interrumpe la corriente mientras el cátodo está sumergido, los cátodos que son atacados por hipocloritos, como los de acero inoxidable, se disolverán en celdas sin particiones.
Si la producción de gases de hidrógeno y oxígeno no es una prioridad, la adición de 0,18% de cromato de sodio o potasio al electrolito mejorará la eficiencia de producción de los demás productos. [9]
Debido a la naturaleza corrosiva de la producción de cloro, el ánodo (donde se forma el cloro) debe ser no reactivo y se ha fabricado con materiales como platino metálico, [10] grafito (llamado plumbago en la época de Faraday), [10] o titanio platinizado . [11] Un ánodo de titanio revestido de óxido metálico mixto (también llamado ánodo dimensionalmente estable) es el estándar industrial actual. Históricamente, el platino, la magnetita , el dióxido de plomo , [12] el dióxido de manganeso y el ferrosilicio (13–15% de silicio [13] ) también se han utilizado como ánodos. [14] El platino aleado con iridio es más resistente a la corrosión del cloro que el platino puro. [14] [15] El titanio sin revestimiento no se puede utilizar como ánodo porque se anodiza , formando un óxido no conductor y pasiva . El grafito se desintegrará lentamente debido a la producción interna de gas electrolítico a partir de la naturaleza porosa del material y la formación de dióxido de carbono debido a la oxidación del carbono, lo que hace que partículas finas de grafito queden suspendidas en el electrolito y se puedan eliminar mediante filtración. El cátodo (donde se forma el hidróxido) puede estar hecho de titanio sin alear, grafito o un metal que se oxide más fácilmente, como acero inoxidable o níquel .
Los intereses de los fabricantes de productos cloro-álcali están representados a nivel regional, nacional e internacional por asociaciones como Euro Chlor y The World Chlorine Council .
Medios relacionados con el proceso cloro-álcali en Wikimedia Commons