Apuntes de Electroquímica. El proceso de producción electrolítica más importante en países desarrollados

Transcripción

1 Apuntes de Electrquímica Electrlisis industrial Síntesis Cl 2 / NaOH El prces de prducción electrlítica más imprtante en países desarrllads 2 Cl (aq) + 2 H 2 O (l) 2 OH (aq) + H 2(g) + Cl 2(g) º= 2.19 V El vltaje teóric necesari para la electrlisis es 2.19 V. En realidad, se utiliza un vltaje mayr debid a la resistencia interna de la célula y a ls sbreptenciales en ls electrds Uss del Cl 2 : Ptabilización de aguas Clrur de vinil (VCM), mnómer del PVC Prducción de TiO 2 Blanque de celulsa en la industria del papel... Uss del NaOH: Prducción de aceites, jabnes y detergentes Regeneración de resinas de intercambi iónic Blanque de celulsa en la industria del papel Existen 3 prcess industriales diferentes: Celda de Hg Celda de diafragma Celda de membrana Ls tres cmparten la misma reacción anódica: 2 Cl Cl 2 + 2e º = V En tds ls cass la materia prima es una dislución de NaCl a ph < 4 para evitar la hidrólisis del Cl 2, es decir para evitar que curra est: Cl 2 + H 2 O Cl + ClO + 2 H + En ls 3 prcess la reacción anódica (síntesis de Cl 2 ) se enfrenta a una reacción cmpetitiva que está termdinámicamente favrecida 2 H 2 O O H e º = 1.23 V 1

2 Apuntes de Electrquímica Se evita pr electrcatálisis, empleand ánds de Ti / RuO 2 para ls que el sbreptencial crrespndiente a la reacción anterir se maximiza mientras que el de frmación de Cl 2 se minimiza A veces cm ánd también se utiliza grafit pr las mismas raznes Celda de Hg (67% de la prducción mundial) El fundament de este métd reside en el hech de que el sbreptencial para la reducción del agua es muy elevad cuand se emplea un cátd de mercuri: H 2 O (l) + 2 e H 2(g) + OH (aq) Pr l tant la reacción que tiene lugar en el cátd es: Na + + Hg + e Hg (Na) º = 1.8 V El cátd es un lech de Hg ligeramente inclinad La amalgama Hg (Na) (aleación Hg Na) se va cncentrand a l larg de la caída 2

3 Apuntes de Electrquímica La amalgama accede a un reactr secundari que cntiene blas de acer, sbre cuya superficie tiene lugar la reducción del H 2 O para btener NaOH: 2 Hg (Na) + 2 H 2 O + 2 e H OH + 2 Na + + Hg Obteniend NaOH en tr cmpartiment, evitams que suba el ph y pr tant, la pérdida de Cl 2 pr hidrólisis Cn este prcedimient se btiene una dislución de NaOH al 50% El ptencial de trabaj es de aprximadamente 4.5 V Esta técnica industrial requiere un tratamient específic de aguas residuales debid a la alta txicidad del Hg Celda de diafragma (27% de la prducción mundial) y celda de membrana (6%) La reacción catódica en ambs cass es 2 H 2 O + 2 e H OH º = 0.8 V ph = 14 3

4 Apuntes de Electrquímica El cátd es de Ni pr tener un valr baj de sbreptencial para la btención de H 2 Cl 2 y NaOH se prducen en el mism reactr El ptencial a aplicar es inferir al aplicad en la celda de Hg, pr l que el cste eléctric de la btención de Cl 2 y NaOH es inferir al del prces en celda de Hg N requieren prcess de purificación de aguas y fangs residuales Cm la reacción catódica aumenta el ph, favrece la hidrólisis del Cl 2 Cl 2 + H 2 O Cl + ClO + 2 H + Para evitarla, las especies Cl 2 y OH deben separarse mediante el us de un separadr físic: Diafragma un separadr selectiv: Membrana Celda de Diafragma: El diafragma y el cátd se fabrican generalmente cm una unidad cmpuesta, frmada pr asbest una mezcla de plímer y asbest depsitada sbre una red de alambre de acer El NaCl (aq) del cmpartiment anódic se mantiene a un nivel ligeramente superir al del cmpartiment catódic. Est rigina un fluj gradual de NaCl (aq) 4

5 Apuntes de Electrquímica entre ambs cmpartiments y reduce el fluj de NaOH (aq) hacia el cmpartiment anódic El vltaje aprximad de trabaj es de 3.5 V (sustancialmente inferir al requerid para trabajar en la celda de mercuri) El diafragma dificulta per n impide el pas de OH hacia el ánd La cncentración de NaOH en el catlit n puede aumentar much (10 15%) para evitar su difusión hacia el ánd Para btener una cncentración del 50%, se debe incluir una etapa de cncentración que genera un aument del cste Celda de Membrana: Parecida a la celda de diafragma, dnde se sustituye el diafragma prs pr una membrana intercambiadra de catines (generalmente hecha cn un plímer flurcarbnad) La membrana permite el pas entre ls cmpartiments anódic y catódic de ls catines hidratads (Na + y H 3 O + ), per restringe en gran medida el fluj de ls ines Cl y OH La cncentración de NaOH en el catlit puede alcanzar el 30 35%, pr l que se alcanza la cncentración del 50% a un cste inferir que en el prces de diafragma Ánd Cl 2 H 2 Cátd NaCl saturad OH - NaOH diluid 2Cl - Na + 2H 2 O NaCl diluid Cl - NaOH cncentad Membrana En alguns países (Japón) la tecnlgía del Hg está prhibida y en muchs trs está siend sustituida lentamente pr la tecnlgía de membrana que, siend más cara, n prduce cntaminación pr metales pesads. 5