Chloralkali-Elektrolyse

Die Chloralkali-Elektrolyse dient der Gewinnung von Wasserstoff, Chlor und Natronlauge aus Steinsalz (NaCL).

Grundlagen

Das Salz liegt in einer wässrigen Lösung vor, wodurch neben den Na+ und Cl- -Ionen auch die Dissoziationsprodukte des Wassers H3O+ und OH- vorliegen. Legt man an den Elektroden eine Spannung an, werden bevorzugt die Ionen entladen, die die geringste Zersetzungsspannung benötigen, im vorliegenden Falls sind die die Chlorid und die Hydronium-Ionen. Zurück bleiben die Natrium- und die Hydroxidionen, die die Natronlauge bilden.

Kathodenreaktion:

$4H_{2}O\rightarrow 2H_{3}O^{+}+2OH^{-}$ Dissozation des Wassers

Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikipedia.org/v1/“:): {\displaystyle 2 H_3 O^+ + 2 e^- \rightarrow H_2 + 2 H_2 0 } Kathodenreaktion

$2H_{2}O+2e^{-}\rightarrow H_{2}+2OH^{-}$ Gesamtreaktion im Kathodenraum

Anodenreaktion:

$2NaCl\rightarrow 2Na^{+}+2Cl^{-}$ Dissozation des Steinsalzes $2Cl^{-}\rightarrow Cl_{2}+2e^{-}$ Anodenreaktion

$2NaCl\rightarrow 2Na^{+}+Cl_{2}+2e^{-}$ Gesamtreaktion im Anodenraum

Gesamtreaktion:

Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikipedia.org/v1/“:): {\displaystyle 2 H_2 O + 2 NaCl \rightarrow 2 H_2 + Cl_2 + 2Na^+ + 2 OH^-}

Technische Verfahren

Für die technische Umsetzung ist es wichtig, dass das entstandene Chlor nicht in Kontakt mit den Hydroxidionen kommt, da dadurch ein Chlorid/Hydrochlorid-Gemisch entstehen würde.

$Cl_{2}+2OH^{-}\rightarrow Cl^{-}+OCl^{-}+H2O$

Außerdem muss darauf geachtet werden, dass sich das Chlorgas nicht mit dem Wasserstoffgas vermischt, das so Chlorknallgas enstehen würde.

Diese Anforderungen werden durch vier verschiedene Verfahren erfüllt.

1. Diaphragmaverfahren

Der Kathodenraum ist vom Anodenraum durch ein stromdurchlässige Trennwand aus Asbest getrennt. Da dieses Diaphragma die in der Lösung vorhanden OH-Ionen nicht vollständig aus dem Anodenraum trennen kann, ist bei einer erhöhten OH-Ionenkonzentration eine Reaktion zu Wasser und Sauerstoff möglich. Daher kann nur eine Natronlauge bis zu einer Konzentration von etwa 15 Prozent gewonnen werden.

2. Membranverfahren

Das Membranverfahren ist eine Weiterentwicklung des Diaphragmaverfahrens. Die Trennung der Elektrodenräume erfolgt durch eine Wand aus ionenselektiven Polymeren, die eine erhöhte Durchlässigkeit für die Na-Ionen besitzen, Hydroxid- und Chloridionen jedoch kaum wandern lassen. Durch dieses Verfahren können Laugenkonzentrationen bis 35 Prozent erreicht werden.

3. Glockenverfahren

Bei diesem Verfahren werden der Anoden- und der Kathodenraum nicht vollständig getrennt, sondern lediglich durch eine Glocke, die nichtleitend ist, aber nicht vollständig auf dem Boden aufliegt, unterteilt. Dadurch ist der Ionentransport zu den Elektroden gewährleistet. Die Reaktion der Hydroxidionen an der Anode muss daher durch einen kontrollierten Zulauf von Salzlösung in den Anodenraum und der Ableitung von entstandener Natronlauge im Kathodenraum gesteuert werden. Dieses Verfahren hat heute kaum noch Bedeutung für die Gewinnung von Chlor, wird aber bei der Fluorgewinnung eingesetzt.

4. Amalgamverfahren

Ein weiteres Verfahren der Chloralkalie-Elektrolyse ist das Amalgamverfahren. Hierbei wird eine Quecksilberkathode eingesetzt. Als Besonderheit tritt hier auf, dass nicht, wie bei den übrigen Verfahren an der Kathode der Wasserstoff reduziert wird, sondern das Natrium, welches mit dem Quecksilber ein Amalgam bildet. Möglich wird dies durch den Zusatz von etwas Natronlauge oder Natriumcarbonat, das die Lösung alkalisch reagieren lässt. Dadurch wird das Redoxpotential von Wasserstoff negativ, was zusammen mit der Überspannung von Wasserstoff an Quecksilber die spezielle Reaktion ermöglicht. Die Reaktion an der Anode ist die gleiche, wie bei den anderen Verfahren.

Technisch zirkuliert das Quecksilber kontinuierlich zwischen der Elektrolysezelle und einer zweiten Reaktionskammer. Das in der Elektrolysezelle gebildete Natriumamalgam wird in die Reaktionskammer gepumpt, wo es mit Wasser reagiert

Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle 2 Na*Hg + 2 H2O -> 2 NaOH + H2 + 2Hg Das regenierte Quecksilber wird erneut als Kathodenmaterial in die Elektrolysezelle zurückgeleitet.}