O Instituto de Cloro, Inc.
A eletrólise de salmoura produz cloro e soda cáustica. Cloreto de sódio (NaCl) é o sal primário usado; produz soda cáustica (NaOH). No entanto, o uso de cloreto de potássio (KCl) produz potassa cáustica (KOH).
2NaCl + 2H2O → Cl2↑+ 2 NaOH + H2↑
sal + água → cloro (gás) + cáustico + hidrogênio (gás)
Atualmente, o processo de célula de diafragma é o mais utilizado para a produção comercial de cloro, seguido pelo processo de célula de mercúrio e depois o processo de célula de membrana. Devido a questões econômicas, ambientais e de qualidade do produto, os fabricantes agora preferem o processo de célula de membrana para novas instalações de produção.
O Processo da Célula Diafragma
Uma célula de diafragma (veja a figura 1) é alimentada com salmoura saturada em um compartimento contendo um ânodo de titânio revestido com sais de rutênio e outros metais. Uma cabeça de célula de plástico coleta o gás de cloro quente e úmido produzido neste ânodo. A sucção por um compressor então puxa o cloro para um coletor de coleta para processamento posterior que consiste em resfriamento, secagem e compressão. A água e a salmoura não reagida percolam através de um separador de diafragma poroso para o compartimento do cátodo, onde a água reage em um cátodo de aço para produzir hidróxido de sódio (soda cáustica) e hidrogênio. O diafragma retém o cloro produzido no ânodo do hidróxido de sódio e do hidrogênio produzido no cátodo. Se esses produtos se combinarem, o resultado é hipoclorito de sódio (lixívia) ou clorato de sódio. Os produtores comerciais de clorato de sódio usam células que não possuem separadores. O diafragma mais comum é um composto de amianto e um polímero de fluorocarbono. As modernas fábricas de células de diafragma não apresentam os problemas de saúde ou ambientais historicamente associados ao uso de diafragmas de amianto. Algumas plantas empregam diafragmas sem amianto, que agora estão disponíveis comercialmente. O processo da célula diafragma produz uma solução fraca de hidróxido de sódio contendo sal não reagido. Um processo de evaporação adicional concentra a soda cáustica e remove a maior parte do sal para fazer uma soda cáustica de qualidade comercial.
Figura 1. Tipos de processos celulares cloralcalinos
O Processo da Célula de Mercúrio
Uma célula de mercúrio na verdade consiste em duas células eletroquímicas. A reação na primeira célula no ânodo é:
2 Cl- →C12 + 2 e-
cloreto → cloro + elétrons
A reação na primeira célula no cátodo é:
Na+ + Hg + e- → Na·Hg
íon sódio + mercúrio + elétrons → amálgama de sódio
A salmoura flui em uma calha de aço inclinada com lados revestidos de borracha (veja a figura 4). Mercúrio, o cátodo, flui sob a salmoura. Ânodos de titânio revestido são suspensos na salmoura para a produção de cloro, que sai da célula para um sistema de coleta e processamento. O sódio é eletrolisado na célula e deixa a primeira célula amalgamada com o mercúrio. Esse amálgama flui para uma segunda célula eletroquímica chamada de decompositor. O decompositor é uma célula com grafite como cátodo e o amálgama como ânodo.
A reação no decompositor é:
2Na·Hg + 2H2O → 2 NaOH + 2 Hg + H2 ↑
O processo de célula de mercúrio produz NaOH comercial (50%) diretamente da célula.
O Processo da Célula Membrana
As reações eletroquímicas em uma célula de membrana são as mesmas que na célula de diafragma. Uma membrana de troca catiônica é usada no lugar do diafragma poroso (veja a figura 1). Essa membrana evita a migração de íons cloreto para o católito, produzindo, assim, produtos cáusticos 30 a 35% essencialmente livres de sal diretamente da célula. A eliminação da necessidade de remoção do sal torna mais simples a evaporação do cáustico para teor comercial de 50%, além de exigir menos investimento e energia. O caro níquel é usado como cátodo na célula de membrana devido ao cáustico mais forte.
Riscos de segurança e saúde
Em temperaturas normais, o cloro seco, líquido ou gasoso, não corrói o aço. O cloro úmido é altamente corrosivo porque forma os ácidos clorídrico e hipocloroso. Devem ser tomadas precauções para manter o cloro e o equipamento de cloro secos. Tubulações, válvulas e recipientes devem ser fechados ou tampados quando não estiverem em uso para impedir a entrada de umidade atmosférica. Se for usada água em um vazamento de cloro, as condições corrosivas resultantes piorarão o vazamento.
O volume de cloro líquido aumenta com a temperatura. Precauções devem ser tomadas para evitar ruptura hidrostática de tubulações, vasos, recipientes ou outros equipamentos cheios de cloro líquido.
O hidrogênio é um coproduto de todo o cloro produzido pela eletrólise de soluções aquosas de salmoura. Dentro de uma faixa de concentração conhecida, misturas de cloro e hidrogênio são inflamáveis e potencialmente explosivas. A reação do cloro e do hidrogênio pode ser iniciada pela luz solar direta, outras fontes de luz ultravioleta, eletricidade estática ou impacto agudo.
Pequenas quantidades de tricloreto de nitrogênio, um composto instável e altamente explosivo, podem ser produzidas na fabricação de cloro. Quando o cloro líquido contendo tricloreto de nitrogênio é evaporado, o tricloreto de nitrogênio pode atingir concentrações perigosas no cloro líquido remanescente.
O cloro pode reagir, às vezes de forma explosiva, com vários materiais orgânicos, como óleo e graxa de fontes como compressores de ar, válvulas, bombas e instrumentação de diafragma de óleo, bem como madeira e panos de trabalhos de manutenção.
Assim que houver qualquer indicação de liberação de cloro, medidas imediatas devem ser tomadas para corrigir a condição. Vazamentos de cloro sempre pioram se não forem corrigidos prontamente. Quando ocorrer um vazamento de cloro, pessoal autorizado e treinado, equipado com equipamentos respiratórios e outros equipamentos de proteção individual (EPI) apropriados, deve investigar e tomar as medidas adequadas. O pessoal não deve entrar em atmosferas contendo concentrações de cloro superiores à concentração imediatamente perigosa para a vida e a saúde (IDLH) (10 ppm) sem EPI adequado e pessoal de apoio. O pessoal desnecessário deve ser mantido afastado e a área de risco deve ser isolada. As pessoas potencialmente afetadas por uma liberação de cloro devem ser evacuadas ou abrigadas no local conforme as circunstâncias o justifiquem.
Monitores de cloro de área e indicadores de direção do vento podem fornecer informações oportunas (por exemplo, rotas de fuga) para ajudar a determinar se o pessoal deve ser evacuado ou abrigado no local.
Quando a evacuação é utilizada, as pessoas potencialmente expostas devem se mover para um ponto contra o vento do vazamento. Como o cloro é mais pesado que o ar, as elevações mais altas são preferíveis. Para escapar no menor tempo, as pessoas que já estão em uma área contaminada devem se mover contra o vento.
Quando dentro de um edifício e abrigo no local for selecionado, o abrigo pode ser obtido fechando todas as janelas, portas e outras aberturas e desligando os condicionadores de ar e os sistemas de entrada de ar. O pessoal deve mover-se para o lado do edifício mais distante do lançamento.
Deve-se tomar cuidado para não posicionar pessoas sem uma rota de fuga. Uma posição segura pode se tornar perigosa por uma mudança na direção do vento. Novos vazamentos podem ocorrer ou o vazamento existente pode aumentar.
Se houver incêndio presente ou iminente, os recipientes e equipamentos de cloro devem ser afastados do fogo, se possível. Se um recipiente ou equipamento sem vazamento não puder ser movido, ele deve ser mantido resfriado com aplicação de água. A água não deve ser usada diretamente em um vazamento de cloro. O cloro e a água reagem formando ácidos e o vazamento vai piorar rapidamente. No entanto, quando vários recipientes estiverem envolvidos e alguns estiverem vazando, pode ser prudente usar um spray de água para ajudar a evitar a sobrepressão dos recipientes sem vazamentos.
Sempre que os recipientes tiverem sido expostos a chamas, a água de resfriamento deve ser aplicada até bem depois que o fogo estiver extinto e os recipientes resfriados. Os contêineres expostos ao fogo devem ser isolados e o fornecedor deve ser contatado o mais rápido possível.
As soluções de hidróxido de sódio são corrosivas, especialmente quando concentradas. Trabalhadores em risco de exposição a derramamentos e vazamentos devem usar luvas, protetor facial e óculos de proteção e outras roupas de proteção.
Agradecimentos: Dr. RG Smerko é reconhecido por disponibilizar os recursos do Chlorine Institute, Inc.