El proceso Castner-Kellner es un método de electrólisis sobre una solución acuosa de cloruro alcalino (generalmente una solución de cloruro de sodio ) para producir el correspondiente hidróxido alcalino , [1] inventado por el estadounidense Hamilton Castner y el austriaco Carl Kellner en la década de 1890. [2] [3] Debido al menor costo de energía y menos preocupaciones ambientales, el proceso Castner-Kellner está siendo reemplazado gradualmente por electrólisis de membrana . [4]
La primera patente para electrolizar salmuera se concedió en Inglaterra en 1851 a Charles Watt. Sin embargo, su proceso no era un método económicamente viable para producir hidróxido de sodio porque no podía evitar que el cloro que se formaba en la solución de salmuera reaccionara con sus otros componentes. El químico e ingeniero estadounidense Hamilton Castner resolvió el problema de la mezcla con la invención de la celda de mercurio y obtuvo una patente estadounidense en 1894. [5] El químico austriaco Carl Kellner llegó a una solución similar aproximadamente al mismo tiempo. Para evitar una batalla legal, se asociaron en 1895 y fundaron la Castner-Kellner Alkali Company, que construyó plantas que empleaban el proceso en toda Europa. El proceso de celdas de mercurio continúa utilizándose hasta el día de hoy. [6] Las operaciones actuales de las plantas de células de mercurio son criticadas por la liberación de mercurio al medio ambiente [7], lo que conduce en algunos casos a una intoxicación grave por mercurio ( como ocurrió en Japón ). Debido a estas preocupaciones, se están eliminando gradualmente las plantas de celdas de mercurio y se está realizando un esfuerzo sostenido para reducir las emisiones de mercurio de las plantas existentes. [8]
El aparato mostrado está dividido en dos tipos de celdas separadas por paredes de pizarra . El primer tipo, que se muestra a la derecha e izquierda del diagrama, utiliza un electrolito de solución de cloruro de sodio, un ánodo de grafito (A) y un cátodo de mercurio (M). El otro tipo de celda, que se muestra en el centro del diagrama, utiliza un electrolito de solución de hidróxido de sodio , un ánodo de mercurio (M) y un cátodo de hierro (D). El electrodo de mercurio es común entre las dos celdas. Esto se logra haciendo que las paredes que separan las celdas caigan por debajo del nivel de los electrolitos pero aún permitan que el mercurio fluya debajo de ellas. [9]
La reacción en el ánodo (A) es:
El cloro gaseoso resultante se ventila en la parte superior de las celdas exteriores donde se recolecta como subproducto del proceso. La reacción en el cátodo de mercurio en las celdas externas es
El sodio metálico formado por esta reacción se disuelve en el mercurio para formar una amalgama . El mercurio conduce la corriente desde las celdas exteriores hasta la celda central. Además, un mecanismo de balanceo (B mostrado por el punto de apoyo a la izquierda y la rotación excéntrica a la derecha) agita el mercurio para transportar el sodio metálico disuelto desde las celdas exteriores a la celda central.
La reacción del ánodo en la celda central tiene lugar en la interfaz entre el mercurio y la solución de hidróxido de sodio.
Finalmente, en el cátodo de hierro (D) de la celda central, la reacción es
El efecto neto es que la concentración de cloruro de sodio en las células exteriores disminuye y la concentración de hidróxido de sodio en las células centrales aumenta. A medida que continúa el proceso, se retira un poco de solución de hidróxido de sodio de la celda central como producto de salida y se reemplaza con agua. Se agrega cloruro de sodio a las celdas exteriores para reemplazar lo que se ha electrolizado.