תהליך כלור-אלקלי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
מפעל כלור-אלקלי בבריטנה.

תהליך כלור-אלקליאנגלית: chloralkali process) הוא תהליך תעשייתי לאלקטרוליזה של תמיסת נתרן כלורי (NaCl, מלח בישול). בתהליך זה מייצרים כלור (Cl2), מימן (H2) ונתרן הידרוקסידי (NaOH) שהם חומרי מוצא חשובים בתעשייה הכימית.

חשיבות תעשייתית[עריכת קוד מקור | עריכה]

תהליך כלור-אלקלי הוא השיטה הכמעט בלעדית לייצור של כלור ונתרן הידרוקסידי. היא אחראית לכ-95% מייצור הכלור העולמי, וכ-99.5% מייצור הנתרן ההידרוקסידי. המימן המיוצר בשיטה זו מהווה כ-4% מהייצור העולמי.[1]

בשנת 2015 יוצרו בתהליך זה כ-65 מיליון טון כלור.[1]

תוצרי התהליך הכלור-אלקלי[עריכת קוד מקור | עריכה]

תמונה תוצרים שימושים
Chlorine in bottle.jpg כלור (Cl2)
Compressed hydrogen tube trailer.jpg מימן (H2)
SodiumHydroxide.jpg נתרן הידרוקסידי (NaOH)

אלקטרוכימיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

התהליך הכלור-אלקלי מבוסס על תגובה אלקטרוכימית בה מים עוברים תהליך חיזור בקתודה לקבלת יוני הידרוקסיד (-OH), וגז מימן (H2):

בנוסף, יוני כלור מתחמצנים באנודה לקבלת גז כלור (Cl2):

כיוון שמקור יוני הכלור הוא בתמיסת ה-NaCl, ניתן לרשום את תגובת האנודה, בצורה הבאה:

התגובה הכוללת בתהליך היא:

יש לשמור על הפרדה בין גז המימן לגז הכלור למנוע תגובת יצירת של חומצת מימן כלורי וכן למנוע מגע בין גז כלור לנתרן הידרוקסיד למנוע תגובת יצירה של נתרן תת-כלורי (NaOCl):

נגזרות של התהליך[עריכת קוד מקור | עריכה]

באופן מסורתי, תהליך הכלור-אלקלי עושה שימוש בנתרן כלורי (NaCl) כחומר המוצא, על כן, התוצר העיקרי המתקבל הוא נתרן הידרוקסידי (NaOH). אולם, ניתן להחליף את חומר המוצא במלחים אחרים ולקבל תרכובות אחרות, לדוגמה:

חומר המוצא תוצרים
אשלגן כלורי אשלגן הידרוקסידי, כלור, מימן
סידן כלורי סידן הידרוקסידי, כלור, מימן
מגנזיום כלורי מגנזיום הידרוקסידי, כלור, מימן

הערות: שני התהליכים האחרונים אינם מיושמים בקנה מידה גדול, בשל בעיות הקשורות למסיסות הנמוכה של הבסיסים.

טכנולוגיות עיקריות[עריכת קוד מקור | עריכה]

אולם הייצור הראשי במפעל כלור-אלקלי, גרמניה, שנות ה-50.

התהליך הכלור-אלקלי מיושם ברחבי העולם, בשלוש טכנולוגיות עיקריות: ממברנה, מחיצה ואמלגמה. הסבר על הטכנולוגיות השונות, וטבלה השוואתית מופיעה להלן:

השוואה בין הטכנולוגיות העיקריות בתהליך הכלור-אלקלי[2]
ממברנה מחיצה אמלגמה
מתח תאורטי (V) 2.19 2.19 3.15
צפיפות זרם (KA/m2) 3-5 0.9-2.6 8-13
מתח התא (V) 3-3.6 2.9-3.5 3.9-4.2
בסיסיות (% משקלי של ההידרוקסידים) 33 12 50
צריכת אנרגיה כוללת (ACkWh/t Cl2) 2970 3580 3560

שיטת הממברנה (Membrane cell)[עריכת קוד מקור | עריכה]

בטכנולוגיה זו מוזרמת תמיסה מרוכזת של מלח בישול לתא המחולק ל-2 חלקים המופרדים באמצעות קרום שמאפשר מעבר יונים חיוביים אך לא שליליים. תמיסת המלח מוזרמת לתא האנודה שם נוצר גז הכלור על אלקטרודת טיטניום. הגז המופק באנודה מעורב בחמצן הנוצר בתגובה כדי לנקות את התוצר מנזלים את הכלור באמצעות דחיסה בעוד החמצן נשאר גז.[3]

בתא הקתודה נוצר על אלקטרודת פלדה גז מימן ותמיסה של NaOH בריכוז 30% שיוצאת מהתא, כדי לקבל תוצר בריכוז של 50% מנדפים חלק מהמים.

יתרונה של שיטה זו היא צריכת אנרגיה נמוכה ביחס לשיטות האחרות ובהיותה ידידותית לסביבה (ללא שימוש באסבסט או כספית); חסרונה בצורך להשתמש בתמיסת מלח נקייה מאוד כחומר גלם ואיכות נמוכה של הכלור המתקבל.

סכמה של פעולת תא ממברנה בתהליך כלור-אלקלי

שיטת המחיצה (Diaphragm cell)[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשיטה זו תא התגובה מופרד באמצעות מחיצת אסבסט או טפלון המאפשרת מעבר יונים ומונעת מעבר גז כלור מתא האנודה לתא הקתודה. כדי למנוע מעבר של תמיסת נתרן הידרוקסידי מחצי תא הקתודה לחצי תא האנודה (ותגובה לא רצויה ליצירת נתרן תת-כלורי -OCl) יש לשמור על זרימה רצופה של הנוזל בתא ומפלס הנוזל בחצי תא האנודה גבוה מבחצי תא הקתודה.

יתרונה של שיטה זו היא ביכולת להשתמש בתמיסת מלח בדרגת ניקיון נמוכה. חסרונה הוא זיהום תמיסת הנתרן ההידרוקסידי ב-NaCl, בצורך בתהליך נוסף להגדיל ריכוז התוצר והשימוש באסבסט.

סכמה של פעולת תא מחיצה Diaphragm Cell בתהליך כלור-אלקלי

שיטת אמלגמה (גם תא כספית, Mercury cell)[עריכת קוד מקור | עריכה]

בטכנולוגיה זו שפותחה בשנות ה-90 של המאה ה-19. הקתודה היא כספית נוזלית בקרקעית המיכל ובה מתבצעת תגובת חיזור יוני נתרן לנתרן מתכתי שיוצר אמלגם עם הכספית:

באנודות נוצר גז כלור היוצא מהמערכת כתוצר.

את הכספית בה מומס הנתרן מזרימים לתא שני בה היא נחשפת למים ומתרחשת התגובה:

יתרונה של שיטה זו, שהייתה הטכנולוגיה הראשונה בשימוש הוא בריכוז הגבוה של תמיסת הנתרן ההידרוקסידי המתקבלת כך שאין צורך בשלב נוסף של נידוף מים ובניקיון התוצר (מעט תגובה צדדית לקבלת נתרן תת-כלורי); חסרונה הוא השימוש בכספית רעילה שעלולה להתנדף או לזהם את התוצרים, כ-0.9 גרם כספית מתנדפת לסביבה לכל טון כלור המיוצר בשיטה זו.[4]

סכמה של פעולת תא כספית בתהליך כלור-אלקלי

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא תהליך כלור-אלקלי בוויקישיתוף

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ 1.0 1.1 O’Brien, Thomas F., Tilak V. Bommaraju, and Fumio Hine., Overview of the Chlor-Alkali Industry, Handbook of Chlor-Alkali Technology: Volume I: Fundamentals (2005): 37-74
  2. ^ The chloralkali process
  3. ^ MANUFACTURING CHLORINE USING A DIAPHRAGM AND A MEMBRANE CELL
  4. ^ Chlorine Industry Review (עמ' 12)