Processo cloro-soda
Il 'processo cloro-soda' è il processo chimico-industriale tamite il quale dal cloruro di sodio in soluzione Salamoia si ottengono per elettrolisi il cloro gassoso la soda caustica soluzione e l'idrogeno. I prodotti possono all'interno dello stesso ciclo produttivo essere utilizzati per produrre prodotti derivati quali l'acido cloridrico (per reazione di combustione dell'idrogeno con il cloro) e l'ipoclorito di sodio (per reazione fra il cloro gassoso e la soda caustica soluzione).
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.
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 ha reso necessaria la ricerca di nuovi impieghi per prodotti che, come appunto il cloro, hanno minore domanda.
Processo
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 catodo di mercurio, che risulta tuttavia gravemente dannoso per l'ambiente a causa delle problematiche di smaltimento dei reflui (solidi, liquidi e gassosi) contamintati dal mercurio. Per di più il cloro e la soda prodotti col metodo a cella di mercurio sono contaminati da tracce di mercurio stesso. 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
Il metodo più moderno 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 (comparto anodico e comparto catodico) tenute separate da una membrana semipermeabile. 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.
- 2 Cl- → Cl2 + 2 e-
Dal comparto anodico fuoriesce anche la cosiddetta salmoia depletta impoverita del cloruro reagito all'anodo e dal sodio migrato nel comparto catodico. In realtà si dovrebbe considerare anche l'ossidazione dell'ossigeno acquoso a ossigeno gassoso. Ma la concentrazione degli ossidrili (OH-) è così bassa nelle condizioni di pH alle quali viene normalmente alimentata la salamoia che la reazione è ridotta al minimo.
- H2O + e- → ½ H2 + OH-
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- → ½ H2 + OH-
Dal comparto esce quindi la soluzione di soda caustica più concentrata rispetto qualla 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, tale scarica non avviene.
La membrana semipermeabile permette agli ioni sodio di passare dal comparto anodico al comparto catodico mentra impedisce il passagio degli ioni ossidrili dal comparto catodico al comparto anodico. Gli ioni sodio nel comparto anodico in soluzione 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
- Cl2 + 2 OH- → Cl- + ClO- + H2O
Varianti del processo descritto possono produrre il 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 titanio, mentre il catodo può essere di Nichel. Riassumendo, durante il processo 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 anodico 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,[1] spesso fatto di 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 coinvolgono 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
Nel processo mediante cella a mercurio, conosciuto anche come processo Castner-Kellner,[2] la soluzione satura di cloruro di sodio galleggia sul catodo, costituito da una film liquido di mercurio. Il cloro viene sviluppato all'anodo, mentre il sodio si scioglie nel mercurio nella cosidetta amalgama.[2]
- Na+ + nHg + e- → Na(Hg)n
L'amalgama fluisce nella cosidetta 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. [2]
- Na(Hg)n + H2O → NaOH + ½ H2 + n Hg
Il mercurio viene quindi riciclato all'ingresso 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 nella baia di Minimata.
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
Bibliografia
- (EN) Hartmut Wendt, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, "Electrochemistry", 7ª ed., Wiley-VCH, 2004, DOI:10.1002/14356007.a09_183.
- (EN) Diagram Group, The Facts on File chemistry handbook, 2ª ed., Infobase Publishing, 2006, 0816058784.
- (EN) Academic Press Dictionary of Science and Technology - "Diaphragm cell", Oxford, Elsevier Science & Technology, 1992.
