Электролиз раствора NaCl с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой

При реализации этого процесса на катоде в соответствии с значениями электродных потенциалов протекают следующие процессы:

Материалами для катода служит сталь, на которой водород выделяется с относительно невысоким перенапряжением (0,3 В). В реальных условиях электролиза (концентрированный раствор NaCl, содержащий NaOH, температура 90С) фактический потенциал выделения водорода составляет около – 0,845 В. Снижение потенциала до 0,3 – 0,4 В можно достичь применением пористых графитовых катодов, для упрочнения и гидрофобизации пропитанных политетрафторэтиленом и активированных солями меди или серебра.

Накапливающиеся в катодном пространстве гидроксид-ионы образуют нейтральные молекулы гидроксида натрия

На аноде выделяется хлор:

Материалом анода служит оксидно-рутениевая система (композиция из оксидов рутения и титана, нанесенных на титановую основу), обладающая прочностью и химической инертность по отношению к кислороду являющемуся побочным продуктом, образующемся на аноде:

Кроме того, в объеме электролита анодного пространства в результате гидролиза хлора идут побочные химические реакции:

Образующийся в результате этой последовательной реакции гипохлорит анион претерпевает анодное окисление

Побочные реакции снижают выход по току основных продуктов и повышают расходные коэффициенты по энергии. Поэтому условия электролиза и концентрация электролитов должны обеспечивать минимальное протекание побочных реакций и достижение максимального выхода по току целевых продуктов. Для этого электролиз реализуют в электролизерах непрерывного действия с вертикальными фильтрующими диафрагмами при противотоке движения электролита и OH ^–ионов. Схема электролизера представлена на рис. 1.

Корпус ванны в этой конструкции разделен на катодное и анодное пространства пористой диафрагмой из асбеста, модифицированного полимерными веществами. Диафрагма плотно прилегает к перфорированному стеклянному катоду. В современных электролизерах катоды имеют гребенчатую разветвленную форму с целью развития поверхности. В анодном пространстве расположен оксидно-рутениевый анод. Очищенный рассол подают в анодное пространство и вследствие гидростатического давления он фильтруется через диафрагму и катод в катодное пространство. Из катодного пространства непрерывно отводят водород и раствор гидроксида натрия, а из анодного – хлор. В образующемся хлор-газе содержится 95 – 96% Cl₂. Хлор-газ охлаждают до 20С (при этом конденсируется вода) и дополнительно сушат промывкой концентрированной серной кислотой. Катодный продукт – раствор гидроксида натрия содержит 120 – 140 г/л NaOH и 170 – 180 г/л неразложившегося NaCl. Раствор выпаривают, при этом NaCl переходит в твердую фазу, т.к. его растворимость резко снижается с увеличением концентрации NaOH. После выпарки и плавки щелоков получают безводны гидроксид натрия, содержащий 92 – 95% NaOH и 2 – 4% NaCl.

Благодаря противотоку электролита и ионов OH ^-, последние практически не попадают в анодное пространство и побочные реакции (5), (7) – (9), за которые они ответственны, предельно минимизированы.