基本介紹
- 中文名：氯鹼工業
- 外文名：Chloralkali process
- 原料：飽和食鹽水
- 產物：氫氧化鈉、氯氣、氫氣
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電解原理
反應原理
陽極反應：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反應）
H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子，並結合成氫分子從陰極放出。
陰極反應：2H++2e-=H2↑（還原反應）
在上述反應中，H+是由水的電離生成的，由於H+在陰極上不斷得到電子而生成H2放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續電離出H+和OH-，H+又不斷得到電子變成H2，結果在陰極區溶液里OH-的濃度相對地增大，使酚酞試液變紅。因此，電解飽和食鹽水的總反應可以表示為：
總反應
2NaCl+2H2O=通電=2NaOH+Cl2↑+H2↑
在上面的電解飽和食鹽水的實驗中，電解產物之間能夠發生化學反應，如NaOH溶液和Cl2能反應生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能發生爆炸。在工業生產中，要避免這幾種產物混合，常使反應在特殊的電解槽中進行。生產原理及工藝 由電解食鹽水溶液製取燒鹼、氯氣和氫氣的工業生產，是重要的基礎化學工業之一。我國的氯鹼工業主要採用兩種生產工藝。
生產工藝
1.隔膜法
隔膜電解法以多孔隔膜將陽極區和陰極區分隔，避免了兩極產物的混合。隔膜電解法的原理如圖2所示。飽和鹽水由陽極區加入，陰極區生成的鹼及未分解的鹽水則不斷流出。通過適當調節鹽水流量，可使陽極區液面高於陰極區液面，從而產生一定的靜壓差，使陽極液透過隔膜流向陰極室，其流向恰與陰極區OH一向陽極區的電遷及擴散方向相反，從而大大減少進入陽極區的OH一數量，抑制析氧反應及其他副反應的發生，陽極效率提高到90%以上。而陰極區由於OH一流失減少，鹼液質量濃度可提高到100～140g/L。
圖2隔膜電解法
氯化鈉溶液存在以下兩種電離方程：
NaCl =Na+ + Cl-
H2O= （可逆）H+ + OH-
所以，食鹽水中含有Na+ 、H+ 、Cl- 和OH- 四種離子。當接通電源後，在電場的作用下，帶負電的Cl-和 OH- 移向陽極，帶正電的Na+和H+移向陰極，在這種條件下，電極上發生如下反應：
在陽極 2Cl - － 2e= Cl 2 ↑
在陰極 2H + + 2e=H 2 ↑
即在陽極室放出 Cl 2 ，陰極室放出 H 2。由於陰極上有隔膜，而且陽極室的液位比陰極室高，所以可以阻止 H 2 跟 Cl 2 混合，以免引起爆炸。由於H+不斷放電，破壞了水的電離平衡，促使水不斷電離，造成溶液中 OH - 的富集。這樣在陰極室就形成了NaOH溶液，它從陰極室底部流出。電解食鹽水的總反應可以表示如下：
2NaCl+2H2O= 2NaOH+H 2 ↑+ Cl 2 ↑
用這種方法生產的鹼液比較稀，其中含有多量未電解的NaCl，需要經過分離、濃縮，才能得到固態NaOH。
以上這種石棉隔膜由於電耗高，污染嚴重，現在已被氯鹼行業摒棄，代之以新型的離子交換膜。其原理同隔膜法，只是因為存在離子交換膜，只允許單一離子通過，其原理介紹如下：
如圖1所示，用一陽離子交換膜分隔電解槽中陰陽極室, 構成兩室電解槽, 向陽極室引入飽和NaCl 溶液, 陰極室引入蒸餾水, 在外加直流電場作用下, 陽極產生氯氣, 陰極上產生氫氣。由於陽離子交換膜的固定基團(R-SO-3-)帶負電荷, 它和溶液中的Na+離子異性電荷相吸, 結果只允許Na+離子通過, 而對Cl-離子排斥, 於是Na+離子遷入陰極室, 它和OH-相結合, 生成NaOH，電極發生的反應同上。
2. 雙電解池法（Diaphragm cell）
該方法類似於隔膜法，但是把反應分在兩個電解池中反應。這樣進一步避免了氯氣和氫氧化鈉的反應。這樣合成的氯氣含有少量的氧氣。
3. 水銀電解池法（Castner–Kellner process）
水銀電解池
水銀電解池以上的電解池得到的氫氧化鈉中都含有微量的氯化鈉，而水銀電解池法則可以合成完全不含氯化鈉的氫氧化鈉。如圖所示，水銀電解池法把兩種電解質用水銀隔開。陽極放置在飽和食鹽水中，陰極放置在氫氧化鈉溶液中。通電時，氯離子被陽極氧化：
2Cl - － 2e= Cl 2 ↑
鈉離子則在水銀中被還原。
Na++e-=Na
由於鈉離子可溶於水銀，並且水銀阻止鈉與水反應，所以會形成鈉汞合金。在含有氫氧化鈉的電解池中，鈉汞合金成了陽極，鈉重新被氧化：
Na=Na++e-
水則在陰極被還原成氫氣和氫氧根離子：
2H2O+2e-=H2+2OH-
這種方法曾一度被用來廣泛生產氯氣和氫氧化鈉。然而，該裝置需要使用大量的水銀，不但成本昂貴，而且有一定的隱患。曾經在加拿大（安大略）和日本（水俁）發生的大規模的汞中毒（水俁病）事件，就與水銀電解池法有關。目前，該方法使用的水銀在一些國家已經被其他物質取代。
產品
1.32%氫氧化鈉
2.50%氫氧化鈉
3.固體氫氧化鈉（片鹼）
4.高純鹽酸
5.工業鹽酸
6.次氯酸鈉
7.氯氣、液氯（液態氯氣）
8.PVC（聚氯乙烯樹脂，氯鹼工業一般都伴隨PVC樹脂）
9.氫氣
原料
1.工業鹽
3.氯乙烯單體（VCM單體，對於石油法提取單體生產PVC而言）
4.其他聚合助劑
制鹼方法
離子交換膜法制燒鹼
世界上比較先進的電解制鹼技術是離子交換膜法。這一技術在20世紀50年代開始研究，80年代開始工業化生產。
離子交換膜電解槽主要由陽極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導電銅棒等組成，每台電解槽由若干個單元槽串聯或並聯組成。右圖表示的是一個單元槽的示意圖。電解槽的陽極用金屬鈦網製成，為了延長電極使用壽命和提高電解效率，鈦陽極網上塗有鈦、釕等氧化物塗層；陰極由碳鋼網製成，上面塗有鎳塗層；陽離子交換膜把電解槽隔成陰極室和陽極室。陽離子交換膜有一種特殊的性質，即它只允許陽離子通過，而阻止陰離子和氣體通過，也就是說只允許Na+通過，而Cl-、OH-和氣體則不能通過。這樣既能防止陰極產生的H2和陽極產生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影響燒鹼的質量。下圖是一台離子交換膜電解槽（包括16個單元槽）。
精製的飽和食鹽水進入陽極室；純水（加入一定量的NaOH溶液）加入陰極室。通電時，H2O在陰極表面放電生成H2，Na+穿過離子膜由陽極室進入陰極室，導出的陰極液中含有NaOH；Cl-則在陽極表面放電生成Cl2。電解後的淡鹽水從陽極導出，可重新用於配製食鹽水。
離子交換膜法電解制鹼的主要生產流程可以簡單表示如下圖所示：
電解法制鹼的主要原料是飽和食鹽水，由於粗鹽水中含有泥沙，
精製食鹽水時經常進行以下措施
（1）過濾海水
（2）加入過量氫氧化鈉，去除鈣、鎂離子，過濾
Ca(2+)+2OH(-)=Ca(OH)2（微溶）
① Mg(2+)+2OH(-)=Mg(OH)2↓
② Mg(HCO3)2+2OH(-)=MgCO3+2H2O
MgCO3+2H2O=Mg(OH)2+H2O+CO2
（3）加入過量氯化鋇，去除硫酸根離子，過濾
Ba(2+)+SO4(2-)=BaSO4↓
（4）加入過量碳酸鈉，去除鈣離子、過量鋇離子，過濾
Ca(2+)+CO3(2-)=CaCO3↓
Ba(2+)+CO3(2-)=BaCO3↓
（5）加入適量鹽酸，去除過量碳酸根離子
2H(+)+CO3(2-)=CO2↑+H2O
（6）加熱驅除二氧化碳
（7）送入離子交換塔，進一步去除鈣、鎂離子
（8）電解
2NaCl+2H2O=(通電)H2↑+Cl2↑+2NaOH
離子交換膜法制鹼技術，具有設備占地面積小、能連續生產、生產能力大、產品質量高、能適應電流波動、能耗低、污染小等優點，是氯鹼工業發展的方向。
化工生產
以氯鹼工業為基礎的化工生產
NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生產原料，可以進一步加工成多種化工產品，廣泛用於各工業。所以氯鹼工業及相關產品幾乎涉及國民經濟及人民生活的各個領域。
2NaOH+Cl2= NaCl+NaClO+H2O
H2O+Cl2=HCl+HClO
H2+Cl2=2HCl
2NaOH+CO2=Na2CO3(蘇打)+H2O
NaOH+CO2=NaHCO3(小蘇打)
