Существует несколько разновидностей метода электролиза:

1. Метод с ртутным катодом;
2. Мембранный метод;
3. Диафрагменный метод.

Каустическая сода крайне опасна в сочетании с аммиаком. При взаимодействии NaOH со следующими веществами:

1. С кислотами — с образованием солей и воды

NaOH + HСl → NaСl + H ₂ O (1)

2NaOH + H ₂ SO ₄ → Na ₂ SO ₄ + 2H ₂ O (2)

2. С кислотными оксидами

2NaOH + СO ₂ → Na ₂ СO ₂ + H ₂ O (3)

3. С амфотерными оксидами, обладающими как основными, так и кислотными свойствами.

ZnO + 2NaOH → Na ₂ ZnO ₂ + H ₂ O (4)

Также с их растворами

ZnO + 2NaOH + H ₂ O → (5)

Едкий натр образует с водой несколько кристаллогидратов. При температуре -28°C из 19,1 % водного раствора гидроксида натрия кристаллизуется соль NaOH∙7H ₂ O; при 20°C из 2,5 % раствора в твердую фазу переходит NaOH∙5H ₂ O; при 80°C из 75 % раствора в кристаллы превращается безводный NaOH.

Первоначально сырьем для производства гидроксида натрия служили растворы природной поваренной соли. В настоящее время для крупномасштабного производства хлора и каустической соды используются как природные рассолы, так и растворы, полученные путем подземного выщелачивания соляных пластов [1, 2].

Туркменистан чрезвычайно богат месторождениями минеральных солей. По запасам некоторых из них наша Родина занимает одно из ведущих мест в мире. Крупные месторождения поваренной соли расположены в юго-восточной части страны — в Магданлы-Койтендагском регионе. К химическим методам получения гидроксида натрия относятся известковый и ферритный способы. Известковый метод получения гидроксида натрия заключается во взаимодействии раствора соды с известковым молоком при температуре 80°C. Этот процесс называется каустификацией и описывается следующей реакцией:

Na ₂ CO ₃ + Ca(OH) ₂ = 2 NaOH + CaCO ₃ ↓ (6)

В соответствии с реакцией получают раствор гидроксида натрия, при этом образуется осадок карбоната кальция. Карбонат кальция отделяют от раствора, который затем упаривают до получения расплавленного продукта с содержанием NaOH около 92 %. Расплавленный NaOH разливают в железные барабаны, где происходит его охлаждение.

Данный метод получения каустической соды был известен еще в Древнем Египте. Основные этапы реализации этого метода в промышленных условиях включают:

— каустификацию содового раствора;

— отделение и промывку шлама;

— выпаривание щелочи;

— плавление соды и высокотемпературное гранулирование гидроксида натрия.

В последнее время химический метод не находит широкого применения из-за значительных энергетических затрат при выпаривании низкотемпературных щелочных растворов.

Каустификация относится к гетерогенным некаталитическим процессам и широко используется в химической технологии, например, при производстве целлюлозы сульфатным методом.

Производство NaOH электрохимическим путем считается наиболее технически совершенным и экономически эффективным среди всех химических способов. Процесс получения NaOH электролизом заключается в следующем: при прохождении постоянного тока через раствор хлорида натрия на аноде выделяется хлор, а на катоде происходит образование водорода и щелочи. Установка диафрагмы между анодом и катодом обеспечивает разделение продуктов электролиза [1, 3].

В первых типах промышленных электролизеров неподвижный электролит разделялся на катодный и анодный отсеки с помощью пористой диафрагмы. Данная электрохимическая система не позволяла производить хлор и каустическую соду со стабильным выходом по току, так как было невозможно предотвратить диффузию и электроперенос гидроксид-ионов, накапливающихся в катодном отделении, в анодное отделение, что приводило к снижению эффективности тока. Предотвратить эти потери можно путем проведения электролиза с пористой диафрагмой и твердым катодом, используя принцип противотока. Это подразумевает непрерывную подачу электролита в анодный отсек и его фильтрацию через диафрагму в катодный отсек для противодействия потоку гидроксид-ионов (рисунок 1, «а»). В этом случае направление движения электролита в порах диафрагмы будет противоположным направлению движения ионов OH-, а скорость подачи электролита в электролизер (скорость противотока) будет равна или выше скорости электролитического переноса и диффузии гидроксид-ионов из катодного пространства.

Рис. 1. Схемы производства хлора, щелочи и водорода: а — электролиз с твердым анодом и фильтрующей диафрагмой; б — электролиз с ртутным катодом; в — электролиз с ионообменной мембраной

Сравнение методов электролиза. В мировой промышленной практике для производства хлора и каустической соды используются три метода, при этом наблюдается тенденция к росту использования мембранного электролиза. В таблице 1 приведено сравнение трех способов производства каустической соды и хлора.

Таблица 1

Ртутный метод производства хлора и гидроксида натрия позволяет получать высококонцентрированный раствор гидроксида натрия с низким содержанием хлорида натрия (0,01–0,05 % по массе). Однако, несмотря на эти преимущества, данный метод имеет ряд существенных недостатков, наиболее важными из которых являются ртутное загрязнение и повышенная опасность условий труда для обслуживающего персонала. Щелочь, произведенная методом мембранного электролиза, по своему качеству сопоставима со щелочью, полученной методом с ртутным катодом, и постепенно вытесняет её с рынка. Таблица показывает, что уровень энергопотребления при этом методе значительно ниже по сравнению с ртутным и диафрагменным способами. Мембранный метод производства каустической соды и хлора является наиболее энергоэффективным, однако он сложен в установке и эксплуатации. С точки зрения электрохимических процессов мембранный метод схож с диафрагменным, но анодное и катодное пространства в нем полностью разделены катионообменной мембраной, непроницаемой для анионов [5, 6]. Поэтому в мембранном электролизере, в отличие от диафрагменного, имеется не один, а два потока. Кроме того, ограниченная геометрическая форма, низкая механическая прочность и термическая стабильность ионообменных мембран обуславливают относительно сложную конструкцию мембранных электролизных установок. По этой причине мембранное оборудование требует наличия самых совершенных систем автоматического контроля и управления. Мембранный электролиз не требует большого количества персонала для технического обслуживания и ремонта. При использовании мембранных электролизеров (по сравнению с диафрагменными) отпадает необходимость в специальном оборудовании для подготовки и перекачки фильтрующих диафрагм, значительно снижается мощность подъемно-транспортных механизмов и существенно сокращается время простоя при ремонте. Колебания токовой нагрузки не оказывают существенного влияния на работу мембранного электролизера. В результате проведенных экспериментальных исследований была разработана оптимальная модель получения 15 %-го раствора каустической соды. Показатель pH полученного раствора составил 12. Также при использовании оптимальных условий утилизации выделяющихся хлор-водородных газов путем их растворения в дистиллированной воде была получена соляная кислота, показатель pH которой составил 1.

Литература:

1. Якименко Л. М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов. М. : Химия, 1974
2. Атрощенко В. И. Технология связанного азота. М. : Химия, 1969.
3. Амелин A. Г. Производство серной кислоты. М. : Химия, 1971.
4. Семенова T. А. и др. Очистка технологических газов. М. : Химия, 1977.
5. Степин Б. Д. И др. Методы получения особо чистых веществ. М. : Химия, 1969.
6. Шокин И. Н., Крашенинников С. А. Технология соды. М. : Химия, 1975.