Processo cloro-soda: differenze tra le versioni

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{{F|chimicaprocessi chimici|luglio 2010}}

[[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).]]

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]].

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.

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).

PerIn analogia,luogo usandodel [[cloruro di calcio]]sodio può oessere utilizzato il [[cloruro di potassio]], inel prodottiqual contengonocaso [[Calciosi (elementoottiene chimico)|calcio]]la opotassa [[potassio]]caustica invecesoluzione chein [[sodio]]luogo della soda caustica soluzione.

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

Il processo richiede un alto consumo energetico e produce soda caustica e cloro in uguale ammontare di [[moli]]. Ciò hoha reso necessaria la ricerca di nuovi impieghi per prodottiil cloro, che ha una minore domanda. In origine esso veniva liberato nell'atmosfera, successivamente come appuntoacido ilcloridrico cloronelle acque, hannocon minoreeffetti domandainquinanti.

== Processo ==

Attualmente la produzione di soda e cloro gassoso viene effettuata attraverso duetre differenti metodi: il sistema a [[membrana semipermeabile]] e il metodo della [[cella a diaframma]]. InIl realtàterzo, esistee unpiù terzoantico metodo, è quello della [[cella a [[mercuriocatodo di (elemento)|mercurio]], che risulta tuttavia gravemente dannoso per l'ambiente. Infattia bastacausa pensaredelle cheproblematiche ildi normalesmaltimento ciclodei produttivoreflui genera(solidi, ogniliquidi annoe centinaiagassosi) dicontaminati chilogrammi didal mercurio che viene accumulato nella [[biosfera]]. Per di piùAnche il cloro e la soda prodotti col metodo a cella di mercurio sono contaminati da tracce di mercurio stesso. Per contro, ilIl 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.

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.]]

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.

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]].

Il metodo più comunemoderno per la produzione di cloro e soda caustica è quello dell'elettrolisi di cloruro di sodio/potassio acquosoin [[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 soloa agliNa+ ionied sodioH₂O, ma non a OH- e Cl-.

La [[soluzionesalamoia satura]]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]].

:2 Cl^- → Cl₂ + 2 e^-

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

Ogni coppia di elettrodi costituisce una cella elementare.

In realtà siSi dovrebbe considerare anche l'ossidazione dell'[[ossigeno]] acquoso a ossigeno gassoso.

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.

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

:H₂O → ½ O₂ + 2H⁺ + 2e^-

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.

AlNel [[catodo]]comparto catodico viene alimentata soda diluita, l'idrogenoH+ presente dalla dissociazione dell'acqua si riduce ad idrogeno gassoso rilasciando in soluzione ioni ossidrili:

:H₂O + e^- → ½ H₂ + OH^-

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

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 (elettrochimica)|sovratensione]] dell'idrogeno, tale scarica non avviene.

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 (elettrochimica)|sovratensione]] dell'idrogeno, tale scaricareazione non avviene.

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:

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.

La membrana al centro della cella permette agliGli ioni sodio dinel passarecomparto nellacatodico secondain camera, dove reagendosoluzione con gli ossidrili, permettono la produzione di soda caustica (NaOH). La reazione globale dell'elettrolisi del cloruro di sodio è:

:2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

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]]

:Cl₂ + 2 OH^- → Cl^- + ClO^- + H₂O

Varianti del processo descritto possono produrre il clorato.

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

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

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

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, durantenella ilcella processoelementare i due elettrodi sono separati dalla membrana semipermeabile. La soluzione satura di cloruro di sodio viene introdotta nel compartimentocomparto con l'anodoanodico. Quindi grazie alla corrente continua che viene fatta passare attraverso il circuito, il salecloro si scindesviluppa nelleall'anodo suee componentil'idrogeno Na⁺al e Cl^-catodo. La membrana permette solo agli ioni di sodio di raggiungere il compartimentocomparto concatodico l'anodoe ed entrare in reazionereagire con gli ossidrili prodotti dalla riduzione, formando idrossido di sodio, mentre gli ioni cloruro sono ostacolati nel dare reazione con la soda. Dunque mentre allAll'anodo si formanosviluppa idrogenocloro gassosomolecolare e ioni ossidrili,mentre al catodo gli ioni cloruro si ossidanosviluppa aidrogeno cloroe molecolare,si ilformano qualeioni viene isolato, raffinato e immagazzinatoossidrili.

=== 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'anodo e fluisce nel secondo compartimento. Come nella cella a membrana, gli ioni cloruro vengono ossidati all'anodo a produrre cloro gassoso, mentre al catodo l'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]].

=== 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.

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 questa volta da unaun sottilefilm laminaliquido di mercurio. Il cloro viene prodottosviluppato all'anodo, mentre il sodio alsi catodoscioglie dovenel formamercurio unanel amalgamacosiddetto col mercurio''amalgama''.<ref name=DG30/>

:Na⁺ + nHg + e^- → Na(Hg)_n

L'amalgama vienefluisce costantementenella espulsacosiddetta all'esterno'cella dellasecondaria'' cella(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.

<ref name=DG30/>

:Na(Hg)_n + H₂0O → NaOH + ½ H₂ + n Hg

Il mercurio viene quindi riutilizzatoriciclato all'interno dellaingresso cella elettrolitica.

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]].

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 ==

{{Portale|chimica}}

<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]]

[[Categoria:Elettrolisi]]

[[Categoria:Sodio]]

[[Categoria:Cloro]]