Das Chlorine Institute, Inc.
Die Elektrolyse von Salzsole erzeugt Chlor und Ätzmittel. Natriumchlorid (NaCl) ist das primär verwendete Salz; es ergibt Natronlauge (NaOH). Bei der Verwendung von Kaliumchlorid (KCl) entsteht jedoch Kalilauge (KOH).
2 NaCl + 2 H2O → Kl2↑+ 2 NaOH + H2↑
Salz + Wasser → Chlor (Gas) + Lauge + Wasserstoff (Gas)
Gegenwärtig wird das Diaphragmazellenverfahren am häufigsten für die kommerzielle Herstellung von Chlor verwendet, gefolgt von dem Quecksilberzellenverfahren und dann dem Membranzellenverfahren. Aufgrund von wirtschaftlichen, ökologischen und produktqualitätsbezogenen Aspekten bevorzugen Hersteller jetzt das Membranzellenverfahren für neue Produktionsanlagen.
Der Membranzellprozess
Eine Diaphragma-Zelle (siehe Abbildung 1) wird mit gesättigter Salzsole in ein Kompartiment geleitet, das eine Titananode enthält, die mit Salzen von Ruthenium und anderen Metallen beschichtet ist. Ein Kunststoffzellenkopf sammelt das an dieser Anode entstehende heiße, feuchte Chlorgas. Die Absaugung durch einen Kompressor saugt das Chlor dann in einen Sammelkopf zur weiteren Verarbeitung, bestehend aus Kühlen, Trocknen und Komprimieren. Wasser und nicht umgesetzte Sole sickern durch einen porösen Diaphragma-Separator in den Kathodenraum, wo Wasser an einer Stahlkathode reagiert, um Natriumhydroxid (Ätznatron) und Wasserstoff zu erzeugen. Das Diaphragma hält das an der Anode erzeugte Chlor von dem an der Kathode erzeugten Natriumhydroxid und Wasserstoff fern. Wenn diese Produkte kombiniert werden, ist das Ergebnis Natriumhypochlorit (Bleichmittel) oder Natriumchlorat. Kommerzielle Hersteller von Natriumchlorat verwenden Zellen ohne Separatoren. Das gebräuchlichste Diaphragma ist ein Verbundstoff aus Asbest und einem Fluorkohlenstoffpolymer. Moderne Diaphragmaanlagen haben nicht die Gesundheits- oder Umweltprobleme, die historisch mit der Verwendung von Asbestdiaphragmen verbunden sind. Einige Anlagen verwenden asbestfreie Diaphragmen, die jetzt im Handel erhältlich sind. Das Diaphragmazellenverfahren erzeugt eine schwache Natriumhydroxidlösung, die nicht umgesetztes Salz enthält. Ein zusätzlicher Verdampfungsprozess konzentriert das Ätzmittel und entfernt den größten Teil des Salzes, um ein Ätzmittel von handelsüblicher Qualität herzustellen.
Abbildung 1. Arten von Chloralkali-Zellprozessen
Der Quecksilberzellenprozess
Eine Quecksilberzelle besteht eigentlich aus zwei elektrochemischen Zellen. Die Reaktion in der ersten Zelle an der Anode ist:
2 Cl- → C12 + 2 €-
Chlorid → Chlor + Elektronen
Die Reaktion in der ersten Zelle an der Kathode ist:
Na+ + Hg + e- → Na · Hg
Natriumion + Quecksilber + Elektronen → Natriumamalgam
Salzsole fließt in einem geneigten Stahltrog mit gummierten Seitenwänden (siehe Abbildung 4). Quecksilber, die Kathode, fließt unter der Sole. Anoden aus beschichtetem Titan werden in der Sole zur Produktion von Chlor aufgehängt, das die Zelle zu einem Sammel- und Verarbeitungssystem verlässt. Natrium wird in der Zelle elektrolysiert und verlässt die erste Zelle amalgamiert mit dem Quecksilber. Dieses Amalgam fließt in eine zweite elektrochemische Zelle, die als Zersetzer bezeichnet wird. Der Zersetzer ist eine Zelle mit Graphit als Kathode und dem Amalgam als Anode.
Die Reaktion im Zersetzer ist:
2 Na·Hg + 2 H2O → 2 NaOH + 2 Hg + H2 ↑
Das Quecksilberzellenverfahren produziert kommerzielles (50 %) NaOH direkt aus der Zelle.
Der Membranzellprozess
Die elektrochemischen Reaktionen in einer Membranzelle sind die gleichen wie in der Diaphragmazelle. Anstelle des porösen Diaphragmas wird eine Kationenaustauschermembran verwendet (siehe Abbildung 1). Diese Membran verhindert die Migration von Chloridionen in den Katholyten und produziert dadurch im Wesentlichen salzfreie 30 bis 35 % Ätzmittel direkt aus der Zelle. Die Eliminierung der Notwendigkeit, Salz zu entfernen, macht das Eindampfen der Lauge auf kommerzielle 50 %ige Stärke einfacher und erfordert weniger Investitionen und Energie. Als Kathode in der Membranzelle wird wegen der stärkeren Lauge teures Nickel verwendet.
Sicherheits- und Gesundheitsgefahren
Bei normalen Temperaturen korrodiert trockenes Chlor, ob flüssig oder gasförmig, Stahl nicht. Nasses Chlor ist stark korrosiv, da es Salz- und Hypochlorsäuren bildet. Es sollten Vorkehrungen getroffen werden, um Chlor und Chlorgeräte trocken zu halten. Rohrleitungen, Ventile und Behälter sollten geschlossen oder abgedeckt werden, wenn sie nicht verwendet werden, um atmosphärische Feuchtigkeit fernzuhalten. Wenn Wasser bei einem Chlorleck verwendet wird, verschlimmern die daraus resultierenden korrosiven Bedingungen das Leck.
Das Volumen des flüssigen Chlors nimmt mit der Temperatur zu. Es sollten Vorkehrungen getroffen werden, um einen hydrostatischen Bruch von Rohrleitungen, Gefäßen, Behältern oder anderen mit flüssigem Chlor gefüllten Geräten zu vermeiden.
Wasserstoff ist ein Nebenprodukt des gesamten Chlors, das durch die Elektrolyse wässriger Salzlösungen hergestellt wird. Gemische aus Chlor und Wasserstoff sind in einem bekannten Konzentrationsbereich brennbar und potentiell explosiv. Die Reaktion von Chlor und Wasserstoff kann durch direktes Sonnenlicht, andere UV-Lichtquellen, statische Elektrizität oder starke Stöße ausgelöst werden.
Bei der Herstellung von Chlor können geringe Mengen Stickstofftrichlorid entstehen, eine instabile und hochexplosive Verbindung. Wenn flüssiges Chlor, das Stickstofftrichlorid enthält, verdampft wird, kann das Stickstofftrichlorid im verbleibenden flüssigen Chlor gefährliche Konzentrationen erreichen.
Chlor kann manchmal explosionsartig mit einer Reihe organischer Materialien wie Öl und Fett aus Quellen wie Luftkompressoren, Ventilen, Pumpen und Ölmembraninstrumenten sowie Holz und Lappen von Wartungsarbeiten reagieren.
Sobald es Anzeichen für eine Chlorfreisetzung gibt, müssen sofort Maßnahmen ergriffen werden, um den Zustand zu korrigieren. Chlorlecks werden immer schlimmer, wenn sie nicht sofort behoben werden. Wenn ein Chlorleck auftritt, sollte autorisiertes, geschultes Personal, das mit Atemschutzausrüstung und anderer geeigneter persönlicher Schutzausrüstung (PSA) ausgestattet ist, dies untersuchen und geeignete Maßnahmen ergreifen. Das Personal sollte ohne geeignete PSA und Hilfspersonal nicht in Atmosphären eintreten, die Chlorkonzentrationen enthalten, die die unmittelbar lebens- und gesundheitsgefährdende Konzentration (IDLH) (10 ppm) überschreiten. Unnötiges Personal sollte ferngehalten und der Gefahrenbereich isoliert werden. Personen, die möglicherweise von einer Chlorfreisetzung betroffen sind, sollten evakuiert oder an Ort und Stelle geschützt werden, wenn die Umstände dies erfordern.
Bereichschlormonitore und Windrichtungsanzeiger können zeitnahe Informationen (z. B. Fluchtwege) liefern, um festzustellen, ob Personal evakuiert oder an Ort und Stelle geschützt werden muss.
Wenn eine Evakuierung durchgeführt wird, sollten potenziell exponierte Personen sich zu einem Punkt in Windrichtung des Lecks begeben. Da Chlor schwerer als Luft ist, sind höhere Lagen vorzuziehen. Um in kürzester Zeit zu entkommen, sollten sich Personen, die sich bereits in einem kontaminierten Bereich befinden, in den Seitenwind bewegen.
Wenn Sie sich in einem Gebäude befinden und Schutz suchen, können Sie Schutz schaffen, indem Sie alle Fenster, Türen und andere Öffnungen schließen und Klimaanlagen und Luftansaugsysteme ausschalten. Das Personal sollte sich auf die Seite des Gebäudes begeben, die am weitesten von der Freisetzung entfernt ist.
Es ist darauf zu achten, dass Personal nicht ohne Fluchtweg positioniert wird. Eine sichere Position kann durch eine Änderung der Windrichtung gefährlich werden. Es können neue Lecks auftreten oder das vorhandene Leck kann größer werden.
Wenn ein Feuer vorhanden ist oder droht, sollten Chlorbehälter und -geräte nach Möglichkeit vom Feuer entfernt werden. Wenn ein nicht leckender Behälter oder eine Ausrüstung nicht bewegt werden kann, sollte sie durch Aufbringen von Wasser kühl gehalten werden. Wasser sollte nicht direkt bei einem Chlorleck verwendet werden. Chlor und Wasser reagieren unter Bildung von Säuren und das Leck verschlimmert sich schnell. Wenn jedoch mehrere Behälter betroffen sind und einige undicht sind, kann es ratsam sein, einen Wassersprüher zu verwenden, um einen Überdruck der nicht leckenden Behälter zu verhindern.
Wann immer Container Flammen ausgesetzt waren, sollte Kühlwasser angewendet werden, bis lange nachdem das Feuer erloschen ist und die Container abgekühlt sind. Behälter, die einem Brand ausgesetzt sind, sollten isoliert und der Lieferant so schnell wie möglich kontaktiert werden.
Natronlaugen sind ätzend, besonders in konzentrierter Form. Arbeiter, die Gefahr laufen, Verschüttungen und Leckagen ausgesetzt zu sein, sollten Handschuhe, Gesichtsschutz und Schutzbrille sowie andere Schutzkleidung tragen.
Danksagungen: Dr. RG Smerko wird für die Bereitstellung der Ressourcen des Chlorine Institute, Inc. gedankt.