Processo cloro-soda: differenze tra le versioni

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{{F|processi chimici|luglio 2010}}

Il '''Processo cloro-soda''' è strettamente correlato all’[[elettrolisi]] del comune sale da cucina, il [[cloruro di sodio]]. A seconda del metodo con cui viene esplicato il processo si ottengono diversi prodotti, oltre che l’[[idrogeno]] gassoso. Se i prodotti vengono isolati separatamente si ottengono [[cloro]] molecolare e [[idrossido di sodio]] (soda caustica); se fuoriescono dal processo miscelati, a seconda della temperatura si ottengono [[ipoclorito di sodio]] o [[clorato di sodio]]: a temperature elevate il processo dà clorato di sodio, a temperature più basse si ottiene ipoclorito di sodio. La produzione cloro-soda su scala industriale ebbe inizio nel 1892.<br />

[[File:Old drawing of a Chlorine-Caustic Soda Plant (Edgewood, Maryland).JPG|thumb|upright=2|Illustrazione del 1919 di un impianto di produzione di cloro-soda (Edgewood, Maryland).]]

<br />

Il '''processo cloro-soda''' è il processo chimico-industriale tramite il quale dal [[cloruro di sodio]] in soluzione ([[salamoia]]) si ottengono per elettrolisi [[cloro]] gassoso, [[Idrossido di sodio]] e [[idrogeno]].

Per analogia, usando [[cloruro di calcio]] o [[cloruro di potassio]], i prodotti contengono [[calcio]] o [[potassio]] invece che [[sodio]].<br />

I prodotti possono essere utilizzati all'interno dello stesso ciclo per produrre derivati quali [[acido cloridrico]] (per reazione di combustione dell'idrogeno con il cloro) e [[ipoclorito di sodio]] (per reazione fra il cloro gassoso e la soda caustica soluzione).

<br />

In luogo del cloruro di sodio può essere utilizzato il [[cloruro di potassio]], nel qual caso si ottiene la potassa caustica soluzione in luogo della soda caustica soluzione.

Il processo richiede un alto consumo energetico e produce soda caustica e cloro in uguale ammontare di [[moli]]. Ciò ho reso necessaria la ricerca di nuovi impieghi per prodotti che, come appunto il cloro, hanno minore domanda.<br />

<br />

La produzione cloro-soda su scala industriale ebbe inizio nel [[1892]].

=== Processo ===

Il processo richiede un alto consumo energetico e produce soda caustica e cloro in uguale ammontare di [[moli]]. Ciò ha reso necessaria la ricerca di nuovi impieghi per il cloro, che ha una minore domanda. In origine esso veniva liberato nell'atmosfera, successivamente come acido cloridrico nelle acque, con effetti inquinanti.

Attualmente la produzione di soda e cloro gassoso viene effettuata attraverso due differenti metodi: il sistema a [[membrana semipermeabile]] e il metodo della cella a diaframma. In realtà esiste un terzo metodo, quello della cella a [[mercurio]], che risulta tuttavia gravemente dannoso per l’ambiente. Infatti basta pensare che il normale ciclo produttivo genera ogni anno centinaia di chilogrammi di mercurio che viene accumulato nella [[biosfera]]. Per di più il coloro e la soda prodotti col metodo a cella di mercurio sono contaminati da tracce di mercurio stesso. Per contro, il sistema a membrana semipermeabile e a diaframma non implicano l’utilizzo di mercurio, anche se l’idrossido di sodio che risulta contiene tracce di cloro, il quale viene rimosso alla fine del processo.<br />

<br />

== Processo ==

Attualmente la produzione di soda e cloro gassoso viene effettuata attraverso tre differenti metodi: il sistema a [[membrana semipermeabile]] e il metodo della [[cella a diaframma]]. Il terzo, e più antico metodo, è quello della [[cella a catodo di mercurio]], che risulta dannoso per l'ambiente a causa delle problematiche di smaltimento dei reflui (solidi, liquidi e gassosi) contaminati dal mercurio. Anche il cloro e la soda prodotti col metodo a cella di mercurio sono contaminati da tracce di mercurio. Il sistema a membrana semipermeabile e a diaframma non implicano l'utilizzo di mercurio.

Nel processo a diaframma in passato sono stati utilizzati diaframmi in [[asbesto]], recentemente sono stati sostituiti con materiali non dannosi per la salute umana.

=== Cella a membrana ===

[[File:Chloralkali_membrane.svg|thumb|upright=2.7|Schema di funzionamento di una cella a membrana per la produzione di cloro-soda.]]

[[File:

<gallery>

Il metodo più moderno per la produzione di cloro e soda caustica è quello dell'elettrolisi di cloruro di sodio/potassio in [[soluzione acquosa]] all'interno di una cella a membrana, costituita da due camere (comparto anodico e comparto catodico) tenute separate da una membrana semipermeabile a scambio ionico costituita da una resina perfluorurata (con gruppi solfonici o carbossilici chimicamente legati), permeabile a Na+ ed H₂O, ma non a OH- e Cl-.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Membrane_cell.jpg

La salamoia concentrata di cloruro di sodio viene introdotta nella prima camera (comparto anodico) della cella, dove gli ioni cloruro si ossidano a cloro molecolare sull'anodo.

</gallery>

:2 Cl^- → Cl₂ + 2 e^-

]]Il metodo più comune per la produzione di cloro e soda caustica è quello dell’elettrolisi di cloruro di sodio acquoso all’interno di una cella a membrana, costituita da due camere tenute separate da una membrana permeabile solo agli ioni sodio.

Dal comparto anodico fuoriesce anche la cosiddetta ''salamoia depleta'' impoverita del cloruro reagito all'anodo e dal sodio migrato nel comparto catodico.

La soluzione satura di cloruro di sodio viene introdotta nella prima camera della cella, dove gli ioni cloruro si ossidano a cloro molecolare sull’[[anodo]].<br />

Ogni coppia di elettrodi costituisce una cella elementare.

<br />

Si dovrebbe considerare anche l'ossidazione dell'ossigeno acquoso a ossigeno gassoso.

Cl^_ → Cl₂ + e^_<br />

Ma la concentrazione degli ossidrili (OH-) è così bassa nelle condizioni di pH delle celle elettrochimiche (circa 4-5) che la reazione è ridotta al minimo.

<br />

Comunque anche se in piccola percentuale, 1-2 %, viene prodotto ossigeno (senza acidificazione supplementare) che costituisce un inquinante per il cloro molecolare:

In realtà si dovrebbe considerare anche l’ossidazione dell’[[ossigeno]] acquoso a ossigeno gassoso

ma tale coppia ha un potenziale standard maggiore di quello della coppia riducente Cl^-/Cl₂, dunque questa scarica anodica non avviene.

:H₂O → ½ O₂ + 2H⁺ + 2e^-

Al [[catodo]] l’idrogeno dell’acqua si riduce ad idrogeno gassoso rilasciando in soluzione ioni ossidrili:<br />

<br />

Nel comparto catodico viene alimentata soda diluita, l'H+ presente dalla dissociazione dell'acqua si riduce ad idrogeno gassoso rilasciando in soluzione ioni ossidrili:

H₂O + e^_ → ½H₂ + OH^_<br />

<br />

:H₂O + e^- → ½ H₂ + OH^-

Analogamente all’ossidazione, si dovrebbe considerare anche la riduzione dello ione sodio a sodio elementare, ma avendo questa coppia un potenziale standard minore di quello della coppia acqua/idrogeno gassoso a causa della sovratensione dell’idrogeno, tale scarica non avviene.<br />

La membrana al centro della cella permette agli ioni sodio di passare nella seconda camera, dove reagendo con gli ossidrili permettono la produzione di soda caustica (NaOH). La reazione globale dell’elettrolisi del cloruro di sodio è:<br />

Dal comparto esce quindi la soluzione di soda caustica, più concentrata rispetto a quella alimentata.

<br />

2NaCl +2H₂O → Cl₂ + H₂ + 2NaOH<br />

Analogamente all'ossidazione, si dovrebbe considerare anche la riduzione dello ione sodio a sodio elementare, ma avendo questa coppia un potenziale standard minore di quello della coppia acqua/idrogeno gassoso, tale reazione non avviene.

<br />

La principale funzione della membrana semipermeabile è quella di tenere separati il cloruro e gli ioni ossidrili. Infatti se avviene la loro reazione, il cloro disproporziona a [[ione cloruro]] e [[ione ipoclorito]]<br />

La membrana semipermeabile permette agli ioni sodio di passare dal comparto anodico al comparto catodico, mentre impedisce il passaggio degli ioni ossidrili dal comparto catodico a quello anodico.

<br />

Gli ioni sodio nel comparto catodico in soluzione con gli ossidrili, permettono la produzione di soda caustica (NaOH). La reazione globale dell'elettrolisi del cloruro di sodio è:

Cl₂ + 2OH^_ → Cl^_ + ClO^_ + H₂O<br />

<br />

:2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

se la reazione avviene a freddo, mentre ad alte temperature (333K) si forma ione clorato<br />

<br />

3Cl:Cl₂ +6OH 2 OH^_- → 5ClCl^_- + ClO₃^_- + 3HH₂O<br />

<br />

Varianti del processo descritto possono produrre il clorato.

A causa della natura corrosiva del cloro molecolare, l’anodo deve essere costituito da un metallo poco reattivo come il [[titanio]], mentre il catodo può essere di [[Nickel]].<br />

Riassumendo, durante il processo i due elettrodi sono separati dalla membrana semipermeabile. La soluzione satura di cloruro di sodio viene introdotta nel compartimento con l’anodo. Quindi grazie alla corrente continua che viene fatta passare attraverso il circuito, il sale si scinde nelle sue componenti Na⁺ e Cl^_. La membrana permette solo agli iodi sodio di raggiungere il compartimento con l’anodo ed entrare in reazione con gli ossidrili prodotti dalla riduzione, formando idrossido di sodio, mentre gli ioni cloruro sono ostacolati nel dare reazione con la soda. Dunque mentre all’anodo si formano idrogeno gassoso e ioni ossidrili, al catodo gli ioni cloruro si ossidano a cloro molecolare, il quale viene isolato, raffinato e immagazzinato.<br />

:3 Cl₂ + 6 OH^- → 5 Cl^- + ClO₃^- + 3 H₂O

<br />

A causa della natura corrosiva del cloro molecolare in ambiente umido, l'anodo deve essere costituito da [[titanio]], mentre il catodo può essere di [[nichel]].

Su questi materiali viene depositato un rivestimento (coating, film) di tipo diverso a seconda del fornitore della tecnologia. Questo rivestimento consente una notevole riduzione delle sovratensioni.

Riassumendo, nella cella elementare i due elettrodi sono separati dalla membrana semipermeabile. La soluzione satura di cloruro di sodio viene introdotta nel comparto anodico. Quindi grazie alla corrente continua che viene fatta passare attraverso il circuito, il cloro si sviluppa all'anodo e l'idrogeno al catodo. La membrana permette solo agli ioni di sodio di raggiungere il comparto catodico e reagire con gli ossidrili prodotti dalla riduzione, formando idrossido di sodio, mentre gli ioni cloruro sono ostacolati nel dare reazione con la soda. All'anodo si sviluppa cloro molecolare mentre al catodo si sviluppa idrogeno e si formano ioni ossidrili.

=== Cella a diaframma ===

Nel processo cloro-soda mediante la cella a diaframma, i due compartimenti sono separati da un diaframma permeabile,<ref>{{Cita|Academic spessoPress fattoDictionary diof Science and Technology}}.</ref> in passato realizzato con fibre di [[asbesto]] (amianto). La soluzione viene introdotta nel compartimento con l’anodol'anodo e fluisce nel secondo compartimento. Come nella cella a membrana, gli ioni cloruro vengono ossidati all’anodoall'anodo a produrre cloro gassoso, mentre al catodo l’acqual'acqua si scinde a formare idrossido di sodio e idrogeno. Il ruolo del diaframma è quello di impedire la reazione tra soda e cloro. A questo punto la soluzione di soda lascia la cella.

Normalmente la soda caustica deve essere concentrata al 50% e deve essere depurata dal sale. Questo risultato può essere ottenuto mediante processi di evaporazione che coinvolgonocomportano un consumo di circa tre tonnellate di vapore per ogni tonnellata di soda. Il sale separato può quindi essere riutilizzato per saturare la soluzione di cloruro di sodio che viene reintrodotta nel ciclo. Per quanto riguarda il cloro gassoso prodotto, questo contiene tracce di ossigeno che vengono spesso eliminate tramite [[liquefazione]] ed [[evaporazione]].<br />

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=== Cella a mercurio ===

[[File:HgNaOHElectrolysis.png|thumb|upright=1.4|Schema di una cella a mercurio utilizzata nel processo cloro-soda]]

Nel processo mediante cella a mercurio, conosciuto anche come processo Castner-Kellner, la soluzione satura di cloruro di sodio galleggia sul catodo, costituito questa volta da una sottile lamina di mercurio. Il cloro viene prodotto all’anodo, mentre il sodio al catodo dove forma una amalgama col mercurio.<br />

<br />

Nel processo mediante cella a mercurio, conosciuto anche come '''processo Castner-Kellner''',<ref name=DG30>{{Cita|Diagram Group|p. 30}}.</ref> la soluzione satura di cloruro di sodio galleggia sul catodo, costituito da un film liquido di mercurio. Il cloro viene sviluppato all'anodo, mentre il sodio si scioglie nel mercurio nel cosiddetto ''amalgama''.<ref name=DG30/>

Na⁺ + nHg + e^_ → Na(Hg)_n<br />

<br />

:Na⁺ + nHg + e^- → Na(Hg)_n

L’amalgama viene costantemente espulsa all’esterno della cella dove entra in reazione con l’acqua a formare idrossido di sodio e mercurio:<br />

<br />

L'amalgama fluisce nella cosiddetta ''cella secondaria'' (disamalgamatore) dove entra in reazione con l'acqua a formare idrossido di sodio e libera il mercurio metallico, nella reazione si forma anche idrogeno gassoso.

Na(Hg)_n + H₂0 → NaOH + ½H₂ + nHg<br />

<brref name=DG30/>

Il mercurio viene quindi riutilizzato all’interno della cella elettrolitica.

:Na(Hg)_n + H₂O → NaOH + ½ H₂ + n Hg

Le celle a mercurio sono state gradualmente eliminate a causa del loro alto impatto ambientale. Infatti non sono stati radi i casi di avvelenamento da mercurio prodotto proprio dall’inquinamento di questo tipo di cella, come appunto avvenne in [[Canada]] e [[Giappone]].<br />

<br />

Il mercurio viene quindi riciclato all'ingresso cella elettrolitica.

Le celle a mercurio sono gradualmente eliminate a causa del loro alto impatto ambientale e dei loro alti consumi energetici. Infatti non sono stati rari i casi di avvelenamento da [[metilmercurio]], prodotto proprio dall'inquinamento di questo tipo di cella, come quello causato dalla ''Dryden Chemical Company'', a Grassy Narrows nell'[[Ontario]] ([[Canada]]), fra il [[1962]] e il [[1970]]<ref>{{en}} [http://www.cbc.ca/news/canada/story/2012/06/04/grassy-narrows-mercury.html ''Mercury poisoning effects continue at Grassy Narrows'']. CBC. News. Canada. Jun 4, 2012.</ref>. Inquinamento causato dalla Chisso Corporation, nella baia di Minamata ([[Giappone]]) e mare di Shiranui, dal 1956 al 1973, dove molluschi, crostacei e pesci della baia, entrando nella catena alimentare, causarono l'avvelenamento da mercurio degli abitanti del luogo, da cui il nome di "[[malattia di Minamata]]".

In [[Italia]] sono stati riconosciuti come responsabili dell'inquinamento da mercurio gli impianti dell'[[Eni]] di [[Gela]] (in [[Sicilia]]) dal 1971 al 1994.<ref>{{collegamento interrotto|1=[http://www.dannoinquinamento.it/gela-caltanissetta-%E2%80%93-impianto-clorosoda-del-petrolchimico-sotto-accusa ''Impianto Clorosoda del petrolchimico sotto accusa''] |data=aprile 2018 |bot=InternetArchiveBot }}. Danno Inquinamento. Studio Legale Adamo. 28 novembre 2011.</ref><ref>{{collegamento interrotto|1=[http://www.dannoinquinamento.it/wp-content/uploads/2011/11/Sent.Gela_.160-2011.pdf ''Sentenza n. 160''] |data=aprile 2018 |bot=InternetArchiveBot }}. Tribunale di Gela. 16 marzo 2011</ref><ref>[http://tv.ilfattoquotidiano.it/2012/08/01/clorosoda-gela-reparto-killer/202832/ ''Clorosoda di Gela, il reparto killer''] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20120804015709/http://tv.ilfattoquotidiano.it/2012/08/01/clorosoda-gela-reparto-killer/202832/ |date=4 agosto 2012 }}. Fatto quotidiano. 1º agosto 2012.</ref> e nello [[Stabilimento chimico di Pieve Vergonte]] (in [[Piemonte]]).<ref>{{Cita web|url=https://www.industriaeambiente.it/schede/pieve_vergonte/|titolo=Industria e Ambiente|accesso=2022-01-07}}</ref>

== In laboratorio ==

L'elettrolisi del cloruro di sodio può essere effettuata in laboratorio utilizzando due [[becher]], uno contenente la soluzione e l'altro contenente acqua pura, collegati mediante un [[ponte salino]] che può essere ottenuto piegando un tubo (non metallico), e le cui estremità devono essere chiuse da lembi di tessuto o fazzoletti. Si posiziona un elettrodo nella soluzione che produrrà idrossido di sodio e idrogeno, e l'altro elettrodo (che può essere una bacchetta di [[carbonio]], o la mina di una matita) nella soluzione che produrrà cloro. Infine si collegano gli elettrodi ad una differenza di potenziale di 12 volt.

== Note ==

<references/>

== Bibliografia ==

* {{cita libro | cognome= Wendt | nome= Hartmut | titolo= Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Electrochemistry" | doi = 10.1002/14356007.a09_183 |editore= Wiley-VCH | ed= 7 | città= | anno= 2004 |lingua= inglese |cid= Ullmann's}}

* {{cita libro | autore= Diagram Group | titolo= The Facts on File chemistry handbook | editore= Infobase Publishing | città= | ed= 2 | anno= 2006 | lingua= inglese | ISBN= 0-8160-5878-4 | cid= Diagram Group | url= http://books.google.it/books?id=NH23yrRwbU4C}}

* {{cita libro | cognome= | nome= | titolo= Academic Press Dictionary of Science and Technology - "Diaphragm cell" | editore= Elsevier Science & Technology | città= Oxford | anno= 1992 | lingua= inglese | cid= Academic Press Dictionary of Science and Technology | url= http://www.credoreference.com/entry/apdst/diaphragm_cell}}

== Voci correlate ==

* [[Cloro]]

* [[Cloruro di sodio]]

* [[Elettrolisi]]

* [[Idrossido di sodio]]

== Altri progetti ==

{{interprogetto}}

== Collegamenti esterni ==

* {{cita web|1=http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-b01-brine.htm|2=Tilak V. Bommaraju, Paul J. Orosz, e Elizabeth A. Sokol, ''Electrochemistry Encyclopedia - "Brine Electrolysis"''|lingua=en|accesso=8 luglio 2011|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20090518141937/http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-b01-brine.htm|dataarchivio=18 maggio 2009|urlmorto=sì}}

{{Portale|chimica|elettrochimica}}

[[Categoria:Processi chimici industriali]]

=== In laboratorio ===

[[Categoria:Elettrolisi]]

L’elettrolisi del cloruro di sodio può essere effettuata in laboratorio utilizzando due [[becher]], uno contenente la soluzione e l’altro contenente acqua pura, collegati mediante un [[ponte salino]] che può essere ottenuto piegando un tubo (non metallico), e le cui estremità devono essere chiuse da lembi di tessuto o fazzoletti. Si posiziona un elettrodo nella soluzione che produrrà idrossido di sodio e idrogeno, e l’altro elettrodo (che può essere una bacchetta di [[carbonio]], o la mina di una matita) nella soluzione che produrrà cloro. Infine si collegano gli elettrodi ad una differenza di potenziale di 12 volt.

[[Categoria:Sodio]]

[[Categoria:Cloro]]