فرآیند کلر-قلیا | فرایند کلر آلکالی| تولید سود مایع

کلر آلکالی چیست؟  (Chloralkali)

فرایند کلر- قلیا | فرایند کلر آلکالی (Chlor-alkali) از جمله فرایندهای صنعتی است که برای الکترولیز نمک (NaCl) استفاده می شود. از این فرایند به‌منظور تولید سدیم هیدروکسید |  Sodium Hydroxide | NaOH | سود مایع | سود سوزآور| ، که یکی از پرکاربرد ترین مواد شیمیایی در صنایع مختلف است، استفاده می‌شود. در سال 1987، 35 میلیون تن کلر (chlorine) با این روش تولید شد. روش کلرآلکالی در سال 1892 در مقیاس صنعتی به تولید رسید و  صنعتی سازی گردید.

در این فرایند معمولاً از آب‌نمک (محلول آبی سدیم کلرید) به‌عنوان ماده اولیه واکنش استفاده می‌شود

معمولاً در این فرآیند از محلول آبی سدیم کلرید (آب نمک) به عنوان خوراک و ماده اولیه استفاده  می شود؛ و کلر (کلر گازی)، سود مایع و هیدروژن به‌عنوان محصولات نهایی این فرایند به دست می آیند. اگر به جای استفاده از آب نمک، از محلول کلسیم کلرید یا پتاسیم کلرید به‌عنوان ماده اولیه استفاده شود.

محصول واکنش  به‌جای سدیم، حاوی پتاسیم یا کلسیم خواهد بود. همچنین فرایندهایی وجود دارد که هیدروژن کلرید مایع را به هیدروژن و کلر و یا سدیم کلرید ذوب شده را به کلر و سدیم فلزی تبدیل می‌کنند.

مصرف انرژی در فرایند الکترولیز آب نمک بسیار بالاست، به‌عنوان مثال در سال 1985، 4 میلیارد کیلووات ساعت در کشور آلمان غربی در این فرایند مصرف شد.

بر اساس واکنش آورده شده در پایین سود سوزآور ،کلر و هیدروژن محصولات این فرایند هستند. تعدادی از مهمترین موارد استفاده سود مایع و سایر فرمهای سود سوز آور را می توانید در این بخش مشاهده کنید.

مقدار زیادی از هیدروژن تولیدشده در این فرایند برای تولید آمونیاک،  هیدرو کلریک اسید و هیدروژنه کردن ترکیبات آلی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فرایند کلر- قلیا | کلر آلکالی به سه روش انجام می‌شود:

• روش ممبران (ممبرین یا غشایی)- Membrane cell
• روش دیافراگم- Diaphragm cell
• روش جیوه‌ای (مرکوری)- Mercury cell

در صورتی با استفاده از روش مرکوری سود مایع عاری از کلر تولید می شود، استفاده از چندین تن جیوه در این فرایند منجر به بروز مشکلات زیست‌محیطی جدی می‌شود.  در هر سال در یک چرخه تولید معمولی صدها کیلوگرم، جیوه از فرایند خارج شده و در محیط انباشته می‌شود.

به‌علاوه گاز کلر و سود مایعی که از روش مرکوری تولید می‌شوند هم حاوی مقدار ناچیزی جیوه هستند و ممکن است موجب بروز مسمومیت های زیست محیطی گردند. در روش‌های ممبران و دیافراگم از جیوه استفاده نمی‌شود، اما سود سوزآور تولید حاوی مقداری کلر است که باید از آن حذف گردد.

فرایند سلول غشایی (ممبران)

رایج‌ترین نوع فرایند کلر- قلیا | کلر آلکالی الکترولیز آب‌نمک (محلول آبی سدیم کلرید) در یک سلول غشایی است.

در این روش،آب نمک اشباع وارد محفظه اول راکتور می‌شود، در این بخش یون‌های کلرید توسط آند اکسید می‌شوند، یون‌های کلر با از دست دادن الکترون به گاز کلر  تبدیل می‌شوند.

بیشتر بخوانید: شرح فرآیند تولید سود پرک

برای مشاهده تصویر متحرک فرآیند سلول غشایی تولید سود سوزآور ، اینجا کلیک کنید.

در قسمت کاتد، یون‌های مثبت هیدروژن که با تجزیه شدن مولکول‌های آب به دست می‌آیند، توسط جریان الکتریکی، به هیدروژن گازی احیا می‌شوند. در قسمت کاتد یون هیدروکسید تولیدشده نیز در محلول آزاد می‌شود .

غشا نفوذ پذیر یونی در وسط سلول( بین دو بخش کاتد و آند)  فقط به یون‌های مثبت سدیم اجازه عبور به سمت بخش دوم سلول می‌دهد در حالی که یون کلرید در بخش آند باقی می مانند. در قسمت کاتد یون‌های هیدروکسید با یون‌های سدیم به‌منظور تولید سدیم هیدروکسید واکنش می‌دهند.

سلول غشایی به‌منظور جلوگیری از واکنش بین کلر و یون‌های هیدروکسید استفاده می‌شود. اگر این واکنش رخ دهد، کلر تجزیه می‌شود و یون‌ها کلرید و هیپوکلریت به وجود می‌آیند.

به دلیل خورنده بودن گاز کلر تولید شده در بخش اول، آند (محلی که کلر در آنجا تولید می‌شود)، باید از فلزاتی مانند تیتانیوم که در برابر خوردگی توسط مقاوم هستند، ساخته شود. در صورتی که کاتد (محلی که یون هیدروکسید به وجود می آید) می‌تواند از فلزاتی مانند نیکل که به‌راحتی اکسید می‌شوند، ساخته شود.

فرایند سلول دیافراگمی

در این فرایند دو بخش راکتور توسط یک صفحه دیافراگمی نفوذپذیر که اغلب از جنس آزبست است، از هم جدا شده‌اند. در راکتور دیافراگمی، آب نمک وارد قسمت آند شده و سپس به‌سوی بخش کاتد جریان می یابد. مانند سلول‌های غشایی، با اکسید شدن یون ها کلرید در بخش آند کلر به وجود می آید؛ در قسمت کاتد، آب به سود مایع و هیدروژن تبدیل می‌شود.

همچنین بخوانید: سنجش خلوص سود مایع

برای مشاهده تصویر متحرک فرآیند سلول دیافراگمی تولید سود سوزآور ، اینجا کلیک کنید.

صفحه دیافراگم استفاده شده در این راکتور مانع از واکنش سدیم هیدروکسید و کلر می‌شود. محصول خروجی فرایند محلول رقیق آب‌نمک و سود مایع است. در این محلول معمولاً باید غلظت سود مایع به 50% رسیده و نمک آن حذف گردد. غلیظ سازی سود مایع تا 50% با استفاده از فرایند تبخیر صورت می پذیرد، به‌طوری‌که به ازای هر تن سود مایع در حدود 3 تن آب تبخیر می گردد.

نمک بدست آمده  از محصولات واکنش برای اشباع کردن محلول رقیق آب نمک استفاده می‌شود. کلر به دست آمده از این فرایند حاوی اکسیژن است و اغلب باید از طریق مایع سازی و تبخیر دوباره، آن را خالص سازی کرد.

فرایند سلول جیوه‌ای:

در فرایند سلول جیوه‌ای (مرکوری) که به اسم فرایند کستنر- کلنر (Castner–Kellner) هم شناخته می‌شود، محلول اشباع آب نمک در بالای یک لایه نازک از جیوه قرار می‌گیرد. در این فرایند جیوه به عنوان کاتد ایفای نقش می‌کند.

برای مشاهده تصویر متحرک فرآیندسلول جیوه ای تولید سود سوزآور ، اینجا کلیک کنید.

به‌طوری‌که سدیم شکل‌گرفته در محلول با جیوه برهم‌کنش و ترکیب مخلوطی (آمالگام) از سدیم و جیوه به دست می‌آید. آمالگام سدیم- جیوه به طور پیوسته از راکتور خارج شده و با آب واکنش داده می‌شود. این واکنش ترکیب مخلوطی را به سدیم هیدروکسید، هیدروژن و جیوه تجزیه می‌کند. جیوه به دست آمده به سلول مرکوری باز گردانیده می‌شود.

کلر در قسمت آند تشکیل می‌شود و به شکل گاز از راکتور خارج می گردد. سلول‌های مرکوری به دلیل نگرانی‌های زیست محیطی و مسمومیت‌هایی که به خاطر جیوه  در کشورهای مختلف به وجود آمده است، در حال از رده خارج شدن و منسوخ شدن هستند.