Inhaltsverzeichnis. Darum geht es Schritte des Trennverfahrens. Diaphragmaverfahren Amalgamverfahren Membranverfahren Kationenaustauschmembran

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1 Chlor-Alkali-Elektrolyse o

2 Inhaltsverzeichnis h i Überblick Darum geht es Schritte des Trennverfahrens Verfahren Diaphragmaverfahren Amalgamverfahren Membranverfahren Kationenaustauschmembran Einsatzmöglichkeiten Wirtschaftliche Aspekte Quellenverzeichnis

3 Darum geht es Elektrolyse einer wässrigen NaCl-Lösung zur Herstellung von Wasserstoff, Chlor und NaOH Endotherme Reaktion (454kJ/mol) 2NaCl(aq) + 2H 2 O 2NaOH(aq)+Cl 2 (g) + H 2 (g) Anode: Positiver Pol: Oxidation Kathode: Negativer Pol: Reduzierung Steinsalzvorkommen weltweit ca. 10Bio. t Weltweite Produktion von NaOH aus Steinsalz ca. 50mio. t/a 55Mio. t/a Chlor 1,56mio. t/a Wasserstoff Europaweite Produktion: 12,5Mio t Größter europäischer Hersteller ist Dow Chemical Ist ein kontinuierliches Verfahren

4 Schritte bei dem Trennverfahren 1. Lösen des Steinsalzes in Wasser bei C zu einer gesättigten Salzlösung zu einer Rohsole 2. Entfernen von Fremdstoffen durch Zugabe von NaOH, Na 2 CO 3, BaCO 3 in einem Fällungsbecken unter ständigem Rühren 3. Ausfällung der Fremdstoffe bei C für quantitative Fällung 4. Abfiltrieren der Fremdstoffe erhalten einer Klarsohle 5. kontinuierliches Zuführen der Klarsohle in die Elektrolyseanlage 6. Entchlorung der Dünnsole; Rückführung zur Aufkonzentration 7. ggf. Auf konzentrieren der Natronlauge

5 Diaphragmaverfahren Entwicklung 1880 vorwiegender Einsatz in USA Kathode besteht aus Eisen bzw. Stahl Anode besteht aus Ruthenium(IV)-Oxid id mit beschichtetem ht t Titan (Abscheidung von Chlor) Anodenreaktion 2Cl- (aq) Cl 2 (g)+ 2e - Kathodenreaktion H 3 O + (aq) +2e - OH - +H 2

6 Die Trennwand des Diaphragmaverfahren Diaphragma ist semipermeabel Diaphragma besteht aus 5mm dickem Stahl-Lochblech, auf das Asbestfasern und eine Teflon Schicht aufgebracht sind gewährleistet keine 100%ige Trennung Trennt Cl 2 von H 2 bzw. Hydroxid Ionen sonst Disproportionierung zu OCl - CL 2 +2OH - Cl - + OCl - +H 2 O 2 2

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8 Diaphragmaverfahren Vorteile Bildung weiterer Chemikalien möglich Bildung von Chloraten möglich Nachteile Durch NaCl verunreinigte NaOH Asbest in Diaphragma Geringe NaOH konz. hoher Energieaufwand Erweiterung: Herstellung von Hypochloriten und Chloraten CL 2 (aq)+2oh - (aq) Cl - (aq)+ocl(aq) - +H 2 O(l) Durchführung der Reaktion bei C Disproportionierung i zu Hypochlorit Ionen 3ClO - (aq) ClO 3- (aq)+2cl - Hydroxid Ionen gelangen g in den Anodenraum 4OH - + 2H 2 O + O 2 Flüssigkeitsstand oder Druck in Anodenraum größer als im Kathodenraum Eindampfen auf 50gew% NaOH deshalb fällt NaCl wegen der geringen Löslichkeit bis auf 1 Gew% aus

9 Amalgamverfahren Entwickelt von Hamilton Castner ( ) und Karl Keller ( ) Spannung von 4V Zwischen Graphit Anode und Quecksilber Kathode, A Hauptanwendung in Europa Anodereaktion Oxidation: 2Cl - (aq) Cl 2 (g) +2e - 4OH - (aq) O 2 (g) +2H 2 O(l) + 4e - Entstehendes Chlor wird durch Schwefelsäure getrocknet Verflüssigung von Chlor Starke Hemmung von H 2 Bildung an Hg Kathode Kathodenreaktion Reduktion: Na+(aq) + e - Na 2H 2 O + 2e - 2OH - +H 2 Im Amalgamzersetzer 2Na*Hgx + 2H 2 O 2 NaOH (aq) + H 2 (g) + 2xHg

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11 Amalgamverfahren Vorteile Strikte Trennung von Nachteile Hoher Strombedarf Cl 2 und H 2 NaOH ist hoch rein (6/1000 im Gegensatz zu Diaphragma) Probleme bei der Durchführung Umweltgefährlich 1. Abscheidung von Wasserstoff an der Kathode möglich Anreicherung von Natrium im Amalgam 2. Verunreinigungen durch Mo und V Mo und V können sich an der Hg Oberfläche niederschlagen 3. Disproportionierung des abgeschiedenen Chlors Cl 2 (aq) + H 2 O HClO(aq) + H + + Cl - (aq) 4. Sinkt im Verlauf der Reaktion die Konz. Der Cl- Ionen so kann an der Anode folgende Reaktion vermehrt auftreten 4OH- 2H 2 O + O2 +2e- Disproportionierung von Hypochlorid möglich - ClO - + 4OH - ClO H 2 O + 4e -

12 Membranverfahren Neuste, beste Verfahren Entwicklung in den 1990iger Jahren Titananode & Eisenkathode Diaphragma wurde durch eine 0,1mm dünne Chlorbeständige Kationentauschermembran t ersetzt t Reinigung der Sole von Ca und Mg da sonst Ausfall in der Membran Anodenreaktion 2Cl - (aq) Cl 2 (g)+ 2e - Kathodenreaktion H 3 O (aq) ++2e - OH - +H 2 Früher 2400kWh heute 2000kWh je t NaOH

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14 Kationenaustauschmembran Kationenaustauschmembran = Ionenleiter Membran besteht aus Nafion Beständigkeit gegen Chlor durch Polytetrafluorethylen (PTFE) Kationen sind kleiner als Anionen PTFE ist hydrophob lässt keine hydratisierten Ionen durch Vorteil - spart 25% der der Energie Membranen halten bei guter Solereinheit mehr als vier Jahre

15 Austauschmembran

16 Membranverfahren Vorteile Verunreinigung durch NaCl und O 2 sind minimal Geringer Energieeinsatz Umweltfreundlich Nachteile Membran ist empfindlich gegen Erdalkali Ionen Kostenintensiv geringe Standfestigkeit und Lebensdauer der Membran Bis zu 35Gew% NaOH möglich falls erforderlich eindampfen

17 Wirtschaftliche Aspekte Energieaufwand pro Tonne möglichst gering halten Produktion von Chlor und Natronlauge pro Stunde soll möglichst hoch sein. Günstiges Verhältnis zwischen Elektrodenfläche und Standfläche Geringe Anschaffungs-, Reparatur-, Wartungskosten pro Zelle ee

18 Quellen Allgemeine Chemie Schroedel ( :40) &id=7a17bec58c93fe50b7dce0ec5038d4f6a0c5bd9c&first=0&form =IDFRIR ( :40) 204B48895E64CC3919FB493A57DBEF7&first=0&FORM=IDFRIR 0&FORM ( :30) 9D279B9459B696CFD6F017EF80E7259F32F9&first=0&FORM=IDFRIR ( ) ( :30) 34A1CC66952E2A D51F703A&first=0&FORM=IDFRIR ( :30) 9C773A9B324BB75F75DD70786D06FE055B134&first=91&FORM=IDFRIR ( :30) CD4BF038F9B0FF9B7E4F44C4EBD2448&first=0&FORM=IDFRIR ( :30) :16