Oficios Técnicos

www.sapiensman.com/tecnoficio


Información para el estudiante y el trabajador de oficios técnicos. 

 

 


Búsqueda personalizada

Producción de cloro por electrólisis de salmuera

La electrólisis se refiere a la descomposición de una sustancia por una corriente eléctrica. La electrólisis de hidróxidos de sodio y de potasio,  llevadas a cabo por primera vez en 1808 por Sir Humphrey Davey, llevaron al descubrimiento de estos dos elementos metálicos y mostró que estos dos hidróxidos que anteriormente habían sido considerados  indescomponibles y por lo tanto como elementos, estaban de hecho compuestos.

Temas relacionados:

La electrólisis de salmuera es una tecnología para producir sosa cáustica y cloro a partir de la sal que es uno de los minerales más comunes en la tierra.

Es ampliamente reconocido que la sosa cáustica se usa como un material para la producción del aluminio y el vidrio, y el cloro para desinfectar el agua. La sosa cáustica y el cloro son productos químicos básicos e importante utilizados en una amplia gama de industrias como la producción de plásticos, textil, pulpa, aluminio, acero, y el refinamiento de petróleo, por lo que la electrólisis de salmuera es una industria básica para todos los campos técnicos. El hidrógeno es un subproducto de este proceso.

La salmuera es una solución de cloruro de sodio (NaCl) y agua (H2O). El proceso de electrólisis implica el uso de una corriente eléctrica para provocar un cambio químico y hacer nuevos productos químicos. La electrólisis de salmuera es un proceso a gran escala utilizado para la fabricación de cloro a partir de la sal. Otros dos productos químicos útiles se obtienen durante el proceso, hidróxido de sodio (NaOH) e hidrógeno (H2).

En resúmen:

  • El hidróxido de sodio, NaOH, también se conoce como lejía o sosa cáustica.
  • El hidróxido de sodio es una base de uso común.
  • La electrólisis de soluciones de cloruro de sodio concentrado (salmuera) produce gas cloro, gas de hidrógeno e hidróxido de sodio acuoso.

2NaCl(aq) + 2H2O(l) -----> H2(g) + Cl2(g) + 2NaOH(aq)

Es importante que el cloro y el hidróxido de sodio producidos en el proceso se separen ya que reaccionan cuando entran en contacto entre sí.

Cl2(g) se produce en el ánodo (electrodo positivo).

H2(g) y NaOH(aq) se producen en el cátodo (electrodo negativo).

Usos en la industria

Los productos de la electrólisis de salmuera tienen usos importantes en la industria. Algunos de estos usos se encuentran en la tabla de abajo, pero hay muchos más:

Productos resultantes de la electrólisis de salmuera:

  Usos del producto químico
Cloro desinfectante  y purificador,  
fabricación de ácido clorhídrico,
fabricación de plásticos,
Hidróxido de sodio

procesamiento de productos alimenticios,
eliminación de contaminantes del agua,
fabricación de papel

Hidrógeno

fabricación de ácido clorhídrico,
potencial como combustible no contaminante

  Propiedades del producto químico
Cloro gas venenoso amarillo
Hidróxido de sodio

base fuerte,
soluble en agua,
la disolución de NaOH en agua es una reacción exotérmica,
delicuescente: absorbe la humedad del aire,
absorbe dióxido de carbono del aire

Hidrógeno gas inflamable

Los impactos ambientales de la electrólisis de salmuera a gran escala deben ser considerados. El proceso utiliza una gran cantidad de electricidad que se produce principalmente por la quema de combustibles fósiles. Durante el proceso real de la electrólisis, un metal debe estar en contacto con la solución de salmuera. Un metal comúnmente usado es el mercurio, que es tóxico. Algo de mercurio se escapa hacia la solución y al medio ambiente.

Tres tipos de celda electrolítica se utilizan para producir hidróxido de sodio a partir de la salmuera:

  • Celda Castner-Kellner (Proceso de Mercurio)
  • Celda de diafragma de Nelson
  • Membrana Celular

Celda Castner-Kellner (Proceso de Mercurio)

Ánodo (electrodo positivo): titanio

Ánodo de reacción (oxidación):

2Cl-(aq) -----> Cl2(g) + 2e

Cátodo (electrodo negativo): el mercurio que fluye a lo largo de la parte inferior de la celda

Reacción en el cátodo (reducción):

Na+(aq) + e -----> Na(s)

Na (s) se disuelve en el mercurio líquido para formar una amalgama que se retira al descomponedor.

En el descomponedor  la amalgama reacciona con el agua para formar hidróxido de sodio, gas hidrógeno y mercurio.

2Na/Hg + 2H2O(l) -----> 2Na+ + 2OH- + H2(g) + 2Hg(l)

Se recogen solución de hidróxido de sodio y gas hidrógeno

El mercurio se recicla a través de la celda electrolítica.

Celda de diafragma de Nelson

Un diafragma poroso de amianto o de óxido de metal con polímero separa los compartimientos anódico y catódico.

La membrana evita los iones de hidróxido entren en el compartimiento del ánodo y evita que los iones de cloruro  entren en el compartimiento del cátodo.

La salmuera saturada entra en el compartimiento del ánodo donde se produce gas de cloro.

Ánodo (electrodo positivo): De carbono (grafito) o de titanio recubierto con óxido de Ru-Ti.

Ánodo de reacción (oxidación):

2Cl-(aq) -----> Cl2(g) + 2e

El Na+ migra a través del diafragma al compartimiento de cátodo combinándose con OH-para formar NaOH.

Reacción celular general (mostrando iones espectadores Na+):

2H2O(l) + 2Cl-(aq) + 2Na+(aq) -----> 2Na+(aq) + 2OH-(aq) + H2(g) + Cl2(g)

El producto contiene cloruro de sodio e hidróxido de sodio. El NaOH (s) se puede cristalizar .

Membrana Celular

Es el método preferido para la producción de hidróxido de sodio ya que no deja residuos peligrosos, se produce hidróxido de sodio muy puro y tiene los requisitos de energía más bajos.

La membrana de intercambio iónico permite selectivamente que el Na+ y el agua fluyan hacia el cátodo de compartimiento, pero impide que los productos se muevan entre los compartimentos.

La salmuera saturada entra en el compartimiento del ánodo donde se forma el gas de cloro.

Ánodo (electrodo positivo): titanio

Ánodo de reacción (oxidación):

2Cl-(aq) -----> Cl2(g)+ 2e

Cátodo (electrodo negativo): níquel

Reacción en el cátodo (reducción):

2H2O(l)+ 2e -----> H2(g) + 2OH-(aq)

Na+ migra a través de la membrana al compartimiento del cátodo combinándose con OH- para formar NaOH.

Reacción celular general (mostrando iones espectadores Na+ ):

2H2O(l) + 2Cl-(aq) + 2Na+(aq) -----> 2Na+(aq) + 2OH-(aq) + H2(g) + Cl2(g)

El producto es hidróxido de sodio concentrado.

Una celda o célula de membrana es una celda de diafragma con un diafragma mejorado llamado 'membrana'. Esto se hace de politetrafluoroetileno (PTFE), haciéndola una membrana de plástico, que ha sido modificado para incluir grupos aniónicos que actúen como una membrana de intercambio de iones. Esto permite que los iones de sodio pasen a través de ella, pero no los iones de cloruro o hidróxido. El PTFE es muy inerte y así puede soportar la inmersión en soluciones de hidróxido por largos períodos de tiempo. Por lo tanto, las mismas reacciones ocurren como anteriormente en la celda de diafragma pero no hay subproducto de cloruro de sodio debido a que la membrana evita que pasen a través de la misma el cloruro y los iones hidróxido.

El uso de este proceso resulta en hidróxido de sodio prácticamente puro (sólo contiene aproximadamente 0,02% de cloruro de sodio como mucho) que se produce sin que haya contaminación por cloruro, y prácticamente no hay oxidante en la salmuera agotada. Por otra parte, no hay riesgo laboral trabajando con amianto o mercurio.

Este proceso que usa la electrólisis para desarrollar hidróxido de sodio, ha sido adaptado en todas las plantas de cloro-álcali debido a su producción muy pura de hidróxido de sodio, costos similares a la de la celda de diafragma (razonable) y no tiene ningún impacto ambiental significativo. Las ventajas son mucho más preferible a la del proceso de mercurio y de diafragma y el proceso de membrana tiene desventajas insignificantes demostrando ser la mejor técnica para la producción de hidróxido de sodio.

La industria de cloro álcali (también llamado "cloro cáustico") es una de las mayores tecnologías electroquímicas en el mundo. Es un proceso de alto consumo energético y es el segundo mayor consumidor de electricidad  entre las industrias electrolíticas.

El cloro se produce por electrólisis de solución de cloruro de sodio (sal de mesa común), a menudo llamado "salmuera". Por lo tanto, cuando se disuelve cloruro sódico en agua, se disocia en cationes de sodio y aniones cloruro. Los iones cloruro se oxidan en el ánodo para formar gas de cloro y las moléculas de agua se reducen en el cátodo para formar aniones hidroxilo y gas hidrógeno. Los iones de sodio en la solución y los iones hidroxilo producidos en el cátodo constituyen los componentes del hidróxido de sodio formado durante la electrólisis de cloruro de sodio.

Figura: Sala de celdas de cloro-álkali con celdas de diafragma MDC-55 (Cortesía de Occidental Chemical Corporation)

Figura: Sala de celdas de cloro-álkali con celdas de membrana BL-2.7 (Cortesía de Uhde GmbH).

El cloro se produce electrolíticamente usando tres tipos de celdas electrolíticas. La diferencia principal en estas tecnologías se encuentra en la forma en que al gas de cloro y el hidróxido de sodio se les impiden mezclarse entre sí para asegurar la generación de productos puros. Por lo tanto, en las celdas de diafragma, la salmuera del compartimiento del ánodo fluye a través del separador hacia el compartimiento del cátodo, el material separador de ser ya sea asbesto o amianto modificado con polímero compuesto depositado sobre un cátodo dotado de orificios. En las celdas de la membrana, por otro lado, una membrana de intercambio iónico se utiliza como un separador. La separación de anolito-catolito se consigue en las celdas de diafragma y de membrana utilizando separadores y membranas de intercambio iónico, respectivamente, mientras que las celdas de mercurio no contienen diafragma o membrana y el propio mercurio actúa como un separador. El ánodo en todas las tecnologías es de metal de titanio recubierto con una capa electrocatalítica de óxidos mixtos. Todas las celdas modernas (desde la década de 1970) utilizan estos llamados "ánodos dimensionalmente estables" (DSA). Las celdas anteriores utilizaban ánodos basados ​​en carbono. El cátodo es típicamente de acero en las celdas de diafragma, de níquel en las celdas de la membrana, y de mercurio en las celdas de mercurio.

Tratamiento / purificación de la salmuera para uso a gran escala

La sal cruda, en su lugar de almacenamiento, se disuelve en agua caliente en el lixator (hoyo donde la sal y el agua se mezclan para hacer la salmuera). Salmuera de muy alta pureza es necesaria para el proceso de electrólisis para proteger las membranas. Las impurezas presentes en la sal, en particular los compuestos de calcio y de magnesio, se eliminan por precipitación química y filtración. La purificación final se lleva a cabo en columnas de intercambio iónico.

 

 

 

 

 

 

 
Volver arriba