L'Institut du chlore, Inc.
L'électrolyse des saumures produit du chlore et de la soude caustique. Le chlorure de sodium (NaCl) est le principal sel utilisé ; il donne de la soude caustique (NaOH). Cependant, l'utilisation de chlorure de potassium (KCl) produit de la potasse caustique (KOH).
2 NaCl + 2H2O → Cl2↑ + 2 NaOH + H2↑
sel + eau → chlore (gaz) + caustique + hydrogène (gaz)
Actuellement, le procédé à cellule à diaphragme est le plus utilisé pour la production commerciale de chlore, suivi du procédé à cellule à mercure, puis du procédé à cellule à membrane. En raison de problèmes économiques, environnementaux et de qualité des produits, les fabricants préfèrent désormais le procédé de cellule à membrane pour les nouvelles installations de production.
Le processus de la cellule à diaphragme
Une cellule à diaphragme (voir figure 1) est alimentée en saumure saturée de sel dans un compartiment contenant une anode en titane recouverte de sels de ruthénium et d'autres métaux. Une tête de cellule en plastique recueille le chlore gazeux chaud et humide produit à cette anode. L'aspiration par un compresseur aspire ensuite le chlore dans un collecteur pour un traitement ultérieur consistant en un refroidissement, un séchage et une compression. L'eau et la saumure n'ayant pas réagi percolent à travers un séparateur à diaphragme poreux dans le compartiment cathodique où l'eau réagit au niveau d'une cathode en acier pour produire de l'hydroxyde de sodium (soude caustique) et de l'hydrogène. Le diaphragme retient le chlore produit à l'anode de la soude et de l'hydrogène produits à la cathode. Si ces produits se combinent, le résultat est l'hypochlorite de sodium (eau de Javel) ou le chlorate de sodium. Les producteurs commerciaux de chlorate de sodium utilisent des cellules qui n'ont pas de séparateurs. Le diaphragme le plus courant est un composite d'amiante et d'un polymère fluorocarboné. Les usines modernes de cellules à diaphragme n'ont pas les problèmes de santé ou environnementaux historiquement associés à l'utilisation de diaphragmes en amiante. Certaines usines utilisent des diaphragmes sans amiante, qui sont maintenant disponibles dans le commerce. Le processus de cellule à diaphragme produit une solution faible d'hydroxyde de sodium contenant du sel n'ayant pas réagi. Un processus d'évaporation supplémentaire concentre la soude caustique et élimine la majeure partie du sel pour produire une soude caustique de qualité commerciale.
Figure 1. Types de procédés cellulaires chloralcali
Le processus de la cellule à mercure
Une cellule à mercure se compose en fait de deux cellules électrochimiques. La réaction dans la première cellule à l'anode est :
2 Cl- → C12 + 2 e-
chlorure → chlore + électrons
La réaction dans la première cellule à la cathode est :
Na+ + Hg + e- → Na·Hg
ion sodium + mercure + électrons → amalgame de sodium
La saumure s'écoule dans une auge en acier inclinée avec des parois caoutchoutées (voir figure 4). Le mercure, la cathode, s'écoule sous la saumure. Des anodes de titane revêtu sont suspendues dans la saumure pour la production de chlore, qui sort de la cellule vers un système de collecte et de traitement. Le sodium est électrolysé dans la cellule et sort de la première cellule amalgamé avec le mercure. Cet amalgame s'écoule dans une deuxième cellule électrochimique appelée le décomposeur. Le décomposeur est une cellule avec du graphite comme cathode et l'amalgame comme anode.
La réaction dans le décomposeur est :
2 Na•Hg + 2 H2O → 2 NaOH + 2 Hg + H2 ↑
Le processus de cellule à mercure produit du NaOH commercial (50%) directement à partir de la cellule.
Le processus de cellule à membrane
Les réactions électrochimiques dans une cellule à membrane sont les mêmes que dans la cellule à diaphragme. Une membrane échangeuse de cations est utilisée à la place du diaphragme poreux (voir figure 1). Cette membrane empêche la migration des ions chlorure dans le catholyte, produisant ainsi une soude caustique essentiellement exempte de sel de 30 à 35 % directement à partir de la cellule. L'élimination de la nécessité d'éliminer le sel simplifie l'évaporation de la soude caustique à une concentration commerciale de 50 % et nécessite moins d'investissement et d'énergie. Le nickel coûteux est utilisé comme cathode dans la cellule à membrane en raison de la caustique plus forte.
Dangers pour la sécurité et la santé
Aux températures ordinaires, le chlore sec, liquide ou gazeux, ne corrode pas l'acier. Le chlore humide est très corrosif car il forme des acides chlorhydrique et hypochloreux. Des précautions doivent être prises pour garder le chlore et l'équipement de chlore au sec. La tuyauterie, les vannes et les conteneurs doivent être fermés ou bouchés lorsqu'ils ne sont pas utilisés pour empêcher l'humidité atmosphérique d'entrer. Si de l'eau est utilisée sur une fuite de chlore, les conditions corrosives qui en résultent aggravent la fuite.
Le volume de chlore liquide augmente avec la température. Des précautions doivent être prises pour éviter la rupture hydrostatique des tuyauteries, récipients, conteneurs ou autres équipements remplis de chlore liquide.
L'hydrogène est un coproduit de tout le chlore fabriqué par l'électrolyse de solutions aqueuses de saumure. Dans une plage de concentration connue, les mélanges de chlore et d'hydrogène sont inflammables et potentiellement explosifs. La réaction du chlore et de l'hydrogène peut être initiée par la lumière directe du soleil, d'autres sources de lumière ultraviolette, l'électricité statique ou un impact violent.
De petites quantités de trichlorure d'azote, un composé instable et hautement explosif, peuvent être produites lors de la fabrication du chlore. Lorsque le chlore liquide contenant du trichlorure d'azote est évaporé, le trichlorure d'azote peut atteindre des concentrations dangereuses dans le chlore liquide restant.
Le chlore peut réagir, parfois de manière explosive, avec un certain nombre de matières organiques telles que l'huile et la graisse provenant de sources telles que les compresseurs d'air, les vannes, les pompes et les instruments à membrane d'huile, ainsi que le bois et les chiffons provenant des travaux d'entretien.
Dès qu'il y a une indication d'un dégagement de chlore, des mesures immédiates doivent être prises pour corriger la situation. Les fuites de chlore s'aggravent toujours si elles ne sont pas corrigées rapidement. Lorsqu'une fuite de chlore se produit, le personnel autorisé et formé équipé d'un équipement respiratoire et d'un autre équipement de protection individuelle (EPI) approprié doit enquêter et prendre les mesures appropriées. Le personnel ne doit pas entrer dans des atmosphères contenant des concentrations de chlore supérieures à la concentration immédiatement dangereuse pour la vie et la santé (IDLH) (10 ppm) sans l'EPI approprié et le personnel de secours. Le personnel inutile doit être tenu à l'écart et la zone dangereuse doit être isolée. Les personnes potentiellement affectées par un rejet de chlore doivent être évacuées ou mises à l'abri sur place si les circonstances le justifient.
Les moniteurs de chlore de zone et les indicateurs de direction du vent peuvent fournir des informations opportunes (par exemple, les voies d'évacuation) pour aider à déterminer si le personnel doit être évacué ou abrité sur place.
Lorsque l'évacuation est utilisée, les personnes potentiellement exposées doivent se déplacer vers un point en amont de la fuite. Parce que le chlore est plus lourd que l'air, des altitudes plus élevées sont préférables. Pour s'échapper dans les plus brefs délais, les personnes déjà présentes dans une zone contaminée doivent se déplacer par vent de travers.
Lorsque vous êtes à l'intérieur d'un bâtiment et que l'abri sur place est sélectionné, l'abri peut être obtenu en fermant toutes les fenêtres, portes et autres ouvertures, et en éteignant les climatiseurs et les systèmes d'admission d'air. Le personnel doit se déplacer vers le côté du bâtiment le plus éloigné de la sortie.
Il faut veiller à ne pas positionner le personnel sans issue de secours. Une position sûre peut être rendue dangereuse par un changement de direction du vent. De nouvelles fuites peuvent se produire ou la fuite existante peut s'agrandir.
Si un incendie est présent ou imminent, les conteneurs de chlore et l'équipement doivent être éloignés de l'incendie, si possible. Si un récipient ou un équipement qui ne fuit pas ne peut pas être déplacé, il doit être refroidi en appliquant de l'eau. L'eau ne doit pas être utilisée directement sur une fuite de chlore. Le chlore et l'eau réagissent en formant des acides et la fuite s'aggravera rapidement. Cependant, lorsque plusieurs conteneurs sont impliqués et que certains fuient, il peut être prudent d'utiliser un jet d'eau pour aider à prévenir la surpression des conteneurs qui ne fuient pas.
Chaque fois que des conteneurs ont été exposés à des flammes, de l'eau de refroidissement doit être appliquée jusqu'à ce que le feu soit éteint et que les conteneurs soient refroidis. Les conteneurs exposés au feu doivent être isolés et le fournisseur doit être contacté dès que possible.
Les solutions d'hydroxyde de sodium sont corrosives, surtout lorsqu'elles sont concentrées. Les travailleurs à risque d'exposition aux déversements et aux fuites doivent porter des gants, un écran facial, des lunettes et d'autres vêtements de protection.
Remerciements : Le Dr RG Smerko est reconnu pour avoir mis à disposition les ressources du Chlorine Institute, Inc.