Основным промышленным методом получения хлора и щелочей является электролиз водных растворов хлоридов, прежде всего хлорида натрия (NaCl). При этом происходит анодное окисление хлорид-ионов и катодное восстановление воды, что приводит к образованию хлора на аноде и щелочи (гидроксида натрия) на катоде:
[ 2Cl^- Cl_2 + 2e^- ()] [ 2H_2O + 2e^- H_2 + 2OH^- ()]
Реакция протекает в водном растворе поваренной соли, при этом на катоде выделяется водород, а на аноде — хлор. Полученный гидроксид натрия остаётся в растворе и затем концентрируется для промышленного использования.
1. Мембранный процесс
Мембранный электролиз — наиболее современный и экологически чистый метод. Он использует селективные ионообменные мембраны, которые пропускают только катионы натрия к катоду, предотвращая контакт образующегося хлора и гидроксида натрия. Преимущества метода:
2. Диафрагменный процесс
Используется пористая диафрагма, через которую происходит разделение анодного и катодного продуктов. Вода и ионы перемещаются через диафрагму, что позволяет получать щёлочь с концентрацией до 12–15%. Этот метод менее эффективен по сравнению с мембранным, но имеет историческое значение.
3. Ртутный процесс (кадмий и ртуть как катод)
Ранее широко применялся процесс Кауфмана, где катодом служила ртуть. При этом натрий образовывал амальгаму с ртутью, а далее из амальгамы извлекали щёлочь. Метод высокоэффективен по качеству продуктов, но экологически опасен из-за токсичности ртути.
Для промышленного электролиза используют насыщенные растворы поваренной соли, обычно с добавкой стабилизаторов и буферных веществ для контроля коррозии и увеличения срока службы электродов. Аноды часто изготавливают из титановых пластин с оксидными покрытиями для устойчивости к коррозии хлором.
Выбор типа электролизера определяется требованиями к чистоте конечных продуктов, экономичностью и экологическими нормами. Мембранные установки являются наиболее распространёнными в современной промышленности, в то время как диафрагменные и ртутные процессы постепенно вытесняются.
При электролизе могут протекать побочные реакции, влияющие на выход продукции:
Контроль концентрации, температуры и плотности тока позволяет минимизировать побочные реакции и увеличить селективность процесса.
Альтернативой водным электролизам является электролиз расплавленных хлоридов, например NaCl. При этом анодная реакция протекает аналогично:
[ 2Cl^- Cl_2 + 2e^-]
Катодная реакция обеспечивает получение чистого металлического натрия:
[ Na^+ + e^- Na]
Металлический натрий далее используется для синтеза различных органических и неорганических соединений, а также может гидролизоваться с образованием NaOH.
Электролиз хлоридов требует значительных затрат электроэнергии, что делает процесс энергоёмким. Современные технологии направлены на снижение энергопотребления, улучшение селективности реакций и минимизацию выбросов хлора в атмосферу. Мембранные процессы обладают наименьшим негативным воздействием на окружающую среду.
Методы получения щелочей и хлора напрямую влияют на производство важнейших химических продуктов: поливинилхлорида, гипохлорита натрия, органических хлорпроизводных, что делает контроль над процессом критически важным для промышленной химии.