Институт хлора, Inc.
При электролизе соляных растворов образуются хлор и каустик. Хлорид натрия (NaCl) является основной используемой солью; он дает едкий натр (NaOH). Однако при использовании хлорида калия (KCl) образуется едкий кали (KOH).
2 NaCl + 2 Н2О → Cl2↑+ 2 NaOH + H2↑
соль + вода → хлор (газ) + каустик + водород (газ)
В настоящее время процесс с диафрагменными ячейками наиболее широко используется для коммерческого производства хлора, за ним следует процесс с ртутными ячейками, а затем процесс с мембранными ячейками. Из-за экономических, экологических проблем и проблем с качеством продукции производители в настоящее время предпочитают процесс мембранных ячеек для новых производственных мощностей.
Процесс мембранной ячейки
Мембранная ячейка (см. рис. 1) подает насыщенный раствор соли в отсек, содержащий титановый анод, покрытый солями рутения и других металлов. Пластмассовая головка ячейки собирает горячий влажный газообразный хлор, образующийся на этом аноде. Всасывание компрессором затем втягивает хлор в сборный коллектор для дальнейшей обработки, состоящей из охлаждения, сушки и сжатия. Вода и непрореагировавший солевой раствор просачиваются через пористый диафрагменный сепаратор в катодное отделение, где вода вступает в реакцию на стальном катоде с образованием гидроксида натрия (едкого натра) и водорода. Диафрагма удерживает хлор, образующийся на аноде из гидроксида натрия, и водород, образующийся на катоде. Если эти продукты объединяются, получается гипохлорит натрия (отбеливатель) или хлорат натрия. Коммерческие производители хлората натрия используют ячейки без сепараторов. Наиболее распространенная диафрагма представляет собой композит из асбеста и фторуглеродного полимера. Современные заводы с диафрагменными ячейками не имеют проблем со здоровьем или окружающей средой, исторически связанных с использованием асбестовых диафрагм. На некоторых заводах используются диафрагмы, не содержащие асбеста, которые в настоящее время имеются в продаже. Процесс с диафрагменной ячейкой производит слабый раствор гидроксида натрия, содержащий непрореагировавшую соль. Дополнительный процесс выпаривания концентрирует каустик и удаляет большую часть соли, чтобы получить каустик товарного качества.
Рисунок 1. Типы хлорщелочных клеточных процессов
Процесс ртутной ячейки
Ртутный элемент фактически состоит из двух электрохимических элементов. Реакция в первой ячейке на аноде:
2 кл– → С12 + 2 e–
хлорид → хлор + электроны
Реакция в первой ячейке на катоде:
Na+ + ртуть + е– → Na · Hg
ион натрия + ртуть + электроны → амальгама натрия
Рассол течет в наклонном стальном желобе с резиновыми стенками (см. рис. 4). Ртуть, катод, течет под рассолом. Аноды из титана с покрытием суспендируются в рассоле для производства хлора, который выходит из ячейки в систему сбора и обработки. Натрий подвергается электролизу в ячейке и покидает первую ячейку, смешавшись с ртутью. Эта амальгама поступает во вторую электрохимическую ячейку, называемую разлагателем. Разлагатель представляет собой ячейку с графитом в качестве катода и амальгамой в качестве анода.
Реакция в разлагателе:
2 Na•Hg + 2 H2О → 2 NaOH + 2 Hg + H2 ↑
Процесс ртутного элемента производит коммерческий (50%) NaOH непосредственно из элемента.
Мембранный клеточный процесс
Электрохимические реакции в мембранной ячейке такие же, как и в диафрагменной. Вместо пористой диафрагмы используется катионообменная мембрана (см. рис. 1). Эта мембрана предотвращает миграцию ионов хлора в католит, тем самым производя практически не содержащую солей 30-35% щелочи непосредственно из ячейки. Устранение необходимости удаления соли упрощает выпаривание каустика до промышленной концентрации 50% и требует меньших капиталовложений и энергии. Дорогой никель используется в качестве катода в мембранной ячейке из-за более сильной щелочи.
Безопасность и опасность для здоровья
При обычных температурах сухой хлор, жидкий или газообразный, не вызывает коррозии стали. Влажный хлор обладает высокой коррозионной активностью, так как образует соляную и хлорноватистую кислоты. Следует принимать меры предосторожности, чтобы держать хлор и оборудование для хлора сухим. Трубопроводы, клапаны и контейнеры должны быть закрыты или закрыты крышками, когда они не используются, чтобы не допустить проникновения атмосферной влаги. Если при утечке хлора используется вода, возникающие коррозионные условия усугубят утечку.
Объем жидкого хлора увеличивается с температурой. Следует принять меры предосторожности, чтобы избежать гидростатического разрыва трубопроводов, сосудов, контейнеров или другого оборудования, заполненного жидким хлором.
Водород является побочным продуктом всего хлора, полученного электролизом водных растворов соляных растворов. В известном диапазоне концентраций смеси хлора и водорода легко воспламеняются и потенциально взрывоопасны. Реакция хлора и водорода может быть инициирована прямым солнечным светом, другими источниками ультрафиолетового света, статическим электричеством или резким ударом.
Небольшие количества треххлористого азота, нестабильного и взрывоопасного соединения, могут быть получены при производстве хлора. При испарении жидкого хлора, содержащего трихлорид азота, концентрация трихлорида азота в оставшемся жидком хлоре может достигать опасных концентраций.
Хлор может вступать в реакцию, иногда со взрывом, с рядом органических материалов, таких как масло и жир из таких источников, как воздушные компрессоры, клапаны, насосы и масляно-мембранные приборы, а также с деревом и ветошью от работ по техническому обслуживанию.
Как только появляются какие-либо признаки выброса хлора, должны быть предприняты немедленные шаги для исправления ситуации. Утечки хлора всегда усугубляются, если их своевременно не устранить. В случае утечки хлора уполномоченный, обученный персонал, оснащенный респираторами и другими соответствующими средствами индивидуальной защиты (СИЗ), должен провести расследование и принять надлежащие меры. Персонал не должен входить в атмосферу, содержащую концентрации хлора, превышающие непосредственно опасную для жизни и здоровья (IDLH) концентрацию (10 частей на миллион) без соответствующих СИЗ и вспомогательного персонала. Ненужный персонал должен быть удален, а опасная зона должна быть изолирована. Лица, потенциально затронутые выбросом хлора, должны быть эвакуированы или укрыты на месте в зависимости от обстоятельств.
Зональные мониторы хлора и указатели направления ветра могут предоставить своевременную информацию (например, о путях эвакуации), чтобы помочь определить, следует ли эвакуировать персонал или укрыться на месте.
При эвакуации потенциально уязвимые лица должны переместиться с наветренной стороны от места утечки. Поскольку хлор тяжелее воздуха, предпочтительны более высокие высоты. Чтобы спастись в кратчайшее время, люди, уже находящиеся в зараженной зоне, должны двигаться поперек ветра.
Когда выбрано укрытие внутри здания и на месте, укрытие можно обеспечить, закрыв все окна, двери и другие отверстия, а также выключив кондиционеры и системы воздухозабора. Персонал должен переместиться в сторону здания, наиболее удаленную от выброса.
Необходимо следить за тем, чтобы персонал не оставался без путей эвакуации. Безопасное положение может стать опасным из-за изменения направления ветра. Могут возникнуть новые утечки или увеличиться существующая утечка.
В случае возникновения или угрозы пожара контейнеры с хлором и оборудование следует по возможности отодвинуть от очага возгорания. Если непротекающий контейнер или оборудование невозможно переместить, их следует охладить, полив водой. Не следует использовать воду непосредственно при утечке хлора. Хлор и вода вступают в реакцию с образованием кислот, и утечка быстро ухудшается. Однако, если задействовано несколько контейнеров и некоторые из них имеют протечки, может быть разумным использовать водяной спрей, чтобы предотвратить избыточное давление в непротекающих контейнерах.
Всякий раз, когда контейнеры подвергались воздействию пламени, следует применять охлаждающую воду до тех пор, пока огонь не потухнет и контейнеры не остынут. Контейнеры, подвергшиеся воздействию огня, должны быть изолированы, и необходимо как можно скорее связаться с поставщиком.
Растворы гидроксида натрия вызывают коррозию, особенно в концентрированном виде. Рабочие, подверженные риску разливов и утечек, должны носить перчатки, лицевой щиток, защитные очки и другую защитную одежду.
Благодарности: д-р Р. Г. Смерко выражает признательность за предоставление ресурсов Института хлора, Inc.