Chlor-Alkali-ElektrolyseC o a e t o yse

I h lt i h iInhaltsverzeichnis ÜberblickÜberblick Darum geht es Schritte des Trennverfahrens

VerfahrenVerfahren Diaphragmaverfahren Diaphragmaverfahren Amalgamverfahren Membranverfahren Kationenaustauschmembran

EinsatzmöglichkeitenEinsatzmöglichkeitenWirtschaftliche Aspekte Quellenverzeichnis Quellenverzeichnis

Darum geht es Elektrolyse einer wässrigen NaCl-Lösung zur Herstellung Elektrolyse einer wässrigen NaCl-Lösung zur Herstellung

von Wasserstoff, Chlor und NaOH Endotherme Reaktion (454kJ/mol) 2NaCl(aq) + 2H2O → 2NaOH(aq)+Cl2(g) + H2(g)

Anode: Positiver Pol: Oxidation Kathode: Negativer Pol: ReduzierungKathode: Negativer Pol: Reduzierung Steinsalzvorkommen weltweit ca. 10Bio. tWeltweite Produktion von NaOH aus Steinsalz ca. 50mio. t/a → 55Mio. t/a Chlor → 1,56mio. t/a Wasserstoff Europaweite Produktion: 12,5Mio t Größter europäischer Hersteller ist Dow Chemical Größter europäischer Hersteller ist Dow Chemical Ist ein kontinuierliches Verfahren

Schritte bei dem Trennverfahren 1 Lösen des Steinsalzes in Wasser bei 80 90°C zu einer 1. Lösen des Steinsalzes in Wasser bei 80-90 C zu einer

gesättigten Salzlösung zu einer Rohsole 2. Entfernen von Fremdstoffen durch Zugabe von NaOH,

Na CO BaCO in einem Fällungsbecken unter ständigemNa2CO3, BaCO3 in einem Fällungsbecken unter ständigem Rühren 3. Ausfällung der Fremdstoffe bei 60-70°C für quantitative

FällungFällung 4. Abfiltrieren der Fremdstoffe erhalten einer Klarsohle 5. kontinuierliches Zuführen der Klarsohle in die

ElektrolyseanlageElektrolyseanlage 6. Entchlorung der Dünnsole; Rückführung zur Aufkonzentration 7. ggf. Auf konzentrieren der Natronlauge

Diaphragmaverfahrenp g Entwicklung 1880 vorwiegender Einsatz in USA Kathode besteht aus Eisen bzw. Stahl Anode besteht aus

R th i (IV) O id it b hi ht t Tit (Ab h idRuthenium(IV)-Oxid mit beschichtetem Titan (Abscheidung von Chlor) Anodenreaktion 2Cl- (aq)→Cl2(g)+ 2e-

KathodenreaktionH O+ ( ) 2 OH H H3O+ (aq) +2e-→OH-+H2

Die Trennwand desDie Trennwand des Diaphragmaverfahrenp g

Diaphragma ist semipermeabel Diaphragma besteht aus 5mm dickem Stahl-Lochblech, aufDiaphragma besteht aus 5mm dickem Stahl Lochblech, auf

das Asbestfasern und eine Teflon Schicht aufgebracht sind gewährleistet keine 100%ige Trennung

C Trennt Cl2 von H2 bzw. Hydroxid Ionen sonst Disproportionierung zu OCl-

CL2 +2OH- →Cl-+ OCl- +H2O2 2

DiaphragmaverfahrenVorteile NachteileBildung weiterer Durch NaCl verunreinigteChemikalien möglich NaOHBildung von Chloraten möglich

Asbest in Diaphragma g

Geringe NaOH konz.hoher Energieaufwand

Erweiterung: Herstellung von Hypochloriten und Chloraten CL2(aq)+2OH-(aq)→Cl-(aq)+OCl(aq)-+H2O(l)

D hfüh d R kti b i 70 80°C Di ti i Durchführung der Reaktion bei 70-80°C → Disproportionierung zu Hypochlorit Ionen 3ClO-(aq) → ClO3

-(aq)+2Cl- Hydroxid Ionen gelangen in den Anodenraum y g g 4OH-+ →2H2O + O2

Flüssigkeitsstand oder Druck in Anodenraum größer als im Kathodenraum Eindampfen auf 50gew% NaOH deshalb fällt NaCl wegen der geringen Eindampfen auf 50gew% NaOH deshalb fällt NaCl wegen der geringen

Löslichkeit bis auf 1 Gew% aus

Amalgamverfahren Entwickelt 1890-1894 von Hamilton Castner (1858-1899) und Karl Keller (1851-1905) Spannung von 4V Zwischen Graphit Anode und Quecksilber Kathode , 450000A Hauptanwendung in Europa Anodereaktion Oxidation: 2Cl-(aq) → Cl2(g) +2e-

4OH-(aq) → O2(g) +2H2O(l) + 4e-

Entstehendes Chlor wird durch Schwefelsäure getrocknetEntstehendes Chlor wird durch Schwefelsäure getrocknet Verflüssigung von Chlor Starke Hemmung von H2 Bildung an Hg Kathode

K th d kti R d kti Kathodenreaktion Reduktion: Na+(aq) + e- → Na 2H2O + 2e- → 2OH- +H2

Im Amalgamzersetzer 2Na*Hgx + 2H2O → 2 NaOH (aq) + H2(g) + 2xHg

AmalgamverfahrenVorteile NachteileStrikte Trennung von Cl2 und H2

Hoher Strombedarf Cl2 und H2

NaOH ist hoch rein(6/1000 im Gegensatz zu Diaphragma)

Umweltgefährlich

Probleme bei der Durchführung 1. Abscheidung von Wasserstoff an der Kathode möglich

zu Diaphragma)

g g Anreicherung von Natrium im Amalgam 2. Verunreinigungen durch Mo und V Mo und V können sich an der Hg Oberfläche niederschlagenMo und V können sich an der Hg Oberfläche niederschlagen 3. Disproportionierung des abgeschiedenen Chlors Cl2(aq) + H2O → HClO(aq) + H+ + Cl-(aq)4 Si kt i V l f d R kti di K D Cl I k 4. Sinkt im Verlauf der Reaktion die Konz. Der Cl- Ionen so kann an der Anode folgende Reaktion vermehrt auftreten 4OH- → 2H2O + O2 +2e- Disproportionierung von Hypochlorid möglich

- ClO- + 4OH- → ClO3- + 2H2O + 4e-

Membranverfahren Neuste, beste Verfahren Entwicklung in den 1990iger Jahreng 990 g J Titananode & Eisenkathode Diaphragma wurde durch eine 0,1mm dünne Chlorbeständige

K ti t h b t tKationentauschermembran ersetzt Reinigung der Sole von Ca und Mg da sonst Ausfall in der

Membran Anodenreaktion 2Cl- (aq)→Cl2(g)+ 2e-

Kathodenreaktion H3O (aq) ++2e-→OH-+H2

Früher 2400kWh heute 2000kWh je t NaOHFrüher 2400kWh heute 2000kWh je t NaOH

KationenaustauschmembranKationenaustauschmembran Kationenaustauschmembran = Ionenleiter Membran besteht aus Nafion Beständigkeit gegen Chlor durch Polytetrafluorethylen (PTFE) Kationen sind kleiner als Anionen Kationen sind kleiner als Anionen PTFE ist hydrophob lässt keine hydratisierten Ionen durch Vorteil - spart 25% der der Energie

Membranen halten bei guter Solereinheit mehr als vier Jahre

Austauschmembran

MembranverfahrenMembranverfahrenVorteile NachteileVerunreinigung durch NaCl und Membran ist empfindlich gegenVerunreinigung durch NaCl und O2 sind minimal

Membran ist empfindlich gegen Erdalkali Ionen

Geringer Energieeinsatz Kostenintensiv Umweltfreundlich geringe Standfestigkeit und

Lebensdauer der Membran

Bis zu 35Gew% NaOH möglich falls erforderlich eindampfenBis zu 35Gew% NaOH möglich falls erforderlich eindampfen

Wirtschaftliche AspekteWirtschaftliche Aspekte Energieaufwand pro Tonne möglichst gering halten Produktion von Chlor und Natronlauge pro Stunde soll Produktion von Chlor und Natronlauge pro Stunde soll

möglichst hoch sein. Günstiges Verhältnis zwischen Elektrodenfläche und

Standfläche Geringe Anschaffungs-, Reparatur-, Wartungskosten pro

Zellee e

60

20304050

1990

1020 1995

2001

QuellenQuellen Allgemeine Chemie Schroedel http://de.wikipedia.org/.wiki/Chlor-Alkali-Elektrolyse (29.03.12 20:40) http://www.bing.com/images/search?q=chlor+alkali+elektrolyse&view=detail

&id=7A17BEC58C93FE50B7DCE0EC5038D4F6A0C5BD9C&first=0&FORM=IDFRIR (29.03.12 20:40)

http://www.bing.com/images/search?q=wasser&view=detail&id=7D66DBFD8204B48895E64CC3919FB493A57DBEF7&fi t 0&FORM IDFRIR (30 03 12204B48895E64CC3919FB493A57DBEF7&first=0&FORM=IDFRIR (30.03.12 18:30)

http://www.bing.com/images/search?q=natriumchlorid&view=detail&id=B2719D279B9459B696CFD6F017EF80E7259F32F9&first=0&FORM=IDFRIR (30 03 12 18 30)(30.03.12 18:30)

http://www.bing.com/images/search?q=Chlorgas&view=detail&id=31A95F5334A1CC66952E2A9811479284D51F703A&first=0&FORM=IDFRIR (30.03.12 18:30)

http://www.bing.com/images/search?q=Wasserstoffgas&view=detail&id=76B9C773A9B324BB75F75DD70786D06FE055B134&first=91&FORM=IDFRIR (30.03.12 18:30)

http://www.bing.com/images/search?q=Natronlauge&view=detail&id=BA44C7681CD4BF038F9B0FF9B7E4F44C4EBD2448&first=0&FORM=IDFRIR (30.03.12 18:30)

www.seilnacht.com 10.04.12 20:16