Chlor-Alkali-Elektrolyse

Die Chlor-Alkali-Elektrolyse wird verwendet, um aus Natriumchlorid Chlor, Wasserstoff und Natronlauge zu gewinnen. Natriumchlorid (Kochsalz) liegt in wässriger Lösung dissoziiert, also in Form von positiv geladenen Natrium-Ionen und negativ geladenen Chlorid-Ionen vor. Spaltet man die gesättigte, wässrige Natriumchlorid-Lösung mit elektrischem Strom auf, entsteht am Pluspol (Anode) der Graphitelektrode Chlor. Am Minuspol (Kathode) hingegen zerfällt durch dieses Elektrolyseverfahren Wasser zu Wasserstoff und Hydroxid-Ionen. Die Hydroxid-Ionen reagieren mit den Natrium-Ionen und es entsteht Alkalilauge, im Fall von Natriumchlorid Natronlauge.

Für die Chlor-Alkali-Elektrolyse werden drei industriell angewandte Methoden, das Diaphragma-Verfahren, das Amalgam-Verfahren und das Membran-Verfahren angewendet. Die verschiedenen Methoden verhindern auf unterschiedliche Weise die Vermischung der Komponenten Chlor, Wasserstoff und Alkalilauge.

Diaphragmaverfahren

Bei dem Prinzip des Diaphragmaverfahrens wird eine Vermengung der Reaktionsprodukte durch ein poröses Diaphragma verhindert. Es trennt den Anodenraum vom Kathodenraum. Als Diaphragma finden zwei parallel stehende Metallgitter, deren 5 Millimeter großer Zwischenraum mit Asbest-Fasern und Polymer-Fasern gefüllt ist, Verwendung Im Anodenraum steht die Flüssigkeit höher als im Kathodenraum. Dies bewirkt eine Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern, wodurch eine Strömung durch das Diaphragma in den Kathodenraum entsteht. Die Strömungsgeschwindigkeit wird, bedingt durch die Höhe des Flüssigkeitsspiegels, gerade so eingestellt, dass die Hydroxid-Ionen nicht durch das Diaphragma gelangen, um ungewünschte Nebenprodukte zu bilden. Am Pluspol, der Anode, findet eine Oxidation der Chlor-Ionen zu Chlor statt. Am Minuspol, der Kathode, bilden sich Wasserstoff und negativ geladene Hydroxid-Ionen. Diese reagieren mit den positiv geladenen Natrium-Ionen zu Natronlauge. Die Natronlauge (Alkalilauge) enthält noch einen großen Anteil an natriumchloridhaltigem Wasser. Um das Natriumchlorid abzutrennen, wird die Lösung eingedampft, was einen großen Energieeinsatz erfordert. Durch das Eindampfen entsteht eine 50-prozentige Alkalilauge, mit einem Restgehalt von ca. 1 Prozent Natriumchlorid. Das abgeschöpfte Salz wird zur Herstellung einer neuen Sole rückgeführt. Der relativ hohe Restgehalt an Natriumchlorid, der durch das Verfahren in der Lösung übrig bleibt, macht die Alkalilauge, die durch die Diaphragma-Methode gewonnen wird, für chemische Anwendungen unbrauchbar.

Amalgamverfahren

Eine Alternative bietet das Amalgamverfahren. Die Anode (Pluspol) besteht aus horizontal angeordneten Titanplatten, die mit Ruthenium beschichtet sind. Sie enthalten Bohrlöcher, welche für den Chlortransfer vorgesehen sind und die Chlorid-Ionen zu elementarem Chlor oxidieren. Der Minuspol ist ein am Boden fließender flüssiger Quecksilberfilm. Dieser Quecksilberfilm und die darüber fließende Sole haben die gleiche Fließrichtung. Das Quecksilber bildet mit den Natrium-Ionen aus der Sole eine Amalgam-Verbindung, die aus der Elektrolysezelle gefördert wird. Im Amalgam-Zersetzer wird die Verbindung in Alkalilauge und Wasserstoff umgewandelt. Die hierbei entstehende konzentrierte Alkalilauge ist frei von Natriumchlorid. Am Minuspol wird an Stelle von Natrium Wasserstoff abgeschieden, da das gebildete Natrium sofort mit dem Quecksilber reagiert und das Schwermetall die Wasserstoffentstehung abschwächt. Zudem muss die verwendete Sole frei von anderen Schwermetallverbindungen sein, da sich sonst am Minuspol Wasserstoff bildet, was zu einer Chlor-Knallgas-Explosion führen kann.

Membranverfahren

Das Membranverfahren verwendet statt eines Diaphragmas eine hochspezialisierte Membran. Diese besteht aus dem Polymer Nafion, welches ein Gerüst aus Teflon stabilisiert. Sie ist nur für positiv geladene Natrium-Ionen (Kationen) durchlässig, die mit einem Hydratmantel umgeben sind. Für sämtliche Anionen und Gase ist die Membran undurchlässig. Die Methode ist, im Gegensatz zum Diaphragma-Verfahren, nur bei Verwendung einer hochreinen Sole, die nur geringste Mengen an Calcium-Ionen und Magnesium-Ionen enthalten darf, funktionsfähig.

Energierelevanz

Tabelle 1 zeigt die spezifischen Energiebedarfe bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse. Die Energiebedarfe sind dabei vollständig der Herstellung von Chlor zugeschrieben.

Synonym(e):

Chloralkalielektrolyse

Englische Übersetzung(en):

chlor-alkali electrolysis