Chlor-Alkali-Elektrolyse

Allgemein

Elektrolyse (Zerlegung durch elektrische Energie) wässrige Lösung von Kochsalz dient zur Technischen Gewinnung von Chlor, Natronlauge und Wasserstoff.

• Normalpotentiale von Natrium (-2,7V), Wasserstoff (-0,4V), Chlor (+1,4V) und Sauerstoff (+0,8V) bei Natriumchloridlösung bei einer Konzentration von c=1mol/l

=> Das Abscheidungspotential für
     Wasserstoff ist geringer als das für
     Natrium und das für Sauerstoff geringer
     als das für Chlor.

        => An dem (-)Pol entsteht gasförmiger Wasserstoff (es werden Protonen durch
             Elektronenaufnahme zu Wasserstoff reduziert); an dem (+)Pol entsteht Sauerstoff
             (durch Oxidation aus Hydroxidionen und unter Bildung von Wasser).

• Anstatt Sauerstoff sollte sich jedoch Chlor an der Anode ablagern.

        => Durch das Elektrodenmaterial entsteht eine hohe Überspannung bei Sauerstoff und
             eine geringe bei Chlor

        => Das Abscheidungspotential von Sauerstoff ist folglich größer als das von Chlor.
             Es wird dabei Graphit als (+)Pol und billiges Eisen als (-)Pol verwendet.

• Am (+)Pol wird Chlorid zu Chlor oxidiert und am (-)Pol werden Protonen zu Wasserstoff reduziert
  
  => Es ergibt sich eine Lösung welche unentladenen Natrium- und Hydroxidionen enthält
   

• Gefahr: Beim Vermischen von Chlor mit Wasserstoff => Chlorknallgasexplosion
   

• Verhinderung: Raum des (-)Pols vom Raum des (+)Pols durch ein Diaphragma-/Amalgamverfahren trennen. Dafür muss der Ausgangsstoff Natriumchlorid sorgfältig von Magnesium und Calcium gereinigt werden (diese bilden sonst schwerlösliche Hydroxide, die das Diaphragma oder den Amalgamzersetzer verstopfen). Außerdem muss Sulfat sorgfältig entfernt werden, weil dieses die Sauerstoff-Überspannung am (+)Pol herabsetzt und dort Hydroxidionen frei setzt um mit dem Graphit des (+)Pols gasförmiges Kohlendioxid zu bilden. 
  => Somit würde ein Verschluss des (+)Pols folgen

  Amalgam-Verfahren (Quecksilber-Verfahren):

(-)Pol: Reduktion 2Na + 2e 2Na (mit Hg  NaHg) Folgereaktion: 2Na + 2H O  2Na + 2OH +H(+)

(+)Pol: Oxidation 2Cl Cl +2e

Redoxreaktion: 2Na + 2Cl +2H O 2Na + 2OH +2H +2Cl

• Moderne Großanlagen haben Zellengrößen von ca. 35m², Stromstärken bis zu 450000A und Stromdichten von 10-15kA/m² (bis zu 65 Zellen erforderlich).
  Die Elektrolyse findet bei 70°C in Stahlwannen statt.
   

• Vorteile: Natronlauge wird getrennt von Natriumchloridlösung erzeugt.
  
  => sehr reine und hoch konzentrierte Lauge
   

• Nachteile: Quecksilber und Quecksilberverbindungen werden zwangsläufig bei dem Abfluss aus der Amalgamerzeugungszelle mitgeführt. Weil diese sehr giftig sind und ein Umweltrisiko darstellen, werden sie unter hohem Kostenaufwand aus den Elektrolytabwässern entfernt. Aufwändige Reinigungsmaßnahmen der Elektrolyseanlagen sind notwendig.
  
  => Das Amalgamverfahren verliert dadurch immer mehr an Bedeutung.
   

  Diaphragma-Verfahren:

(-)Pol: Reduktion 2H O 2H + 2OH 2H +2e H

(+) Pol: Oxidation 2NaCl 2Na +2Cl 2Cl Cl +2e

2H O + 2e 2OH + H

2NaCl 2Na + Cl +2e

Redoxreaktion: 2NaCl + 2H O 2NaOH + Cl + H

• Moderne Diaphragmazellen haben Stromstärken von bis zu 150000A und Stromdichten von 2,0-2,74kA/m², bei denen eine Zellspannung von 3,0-4,5V und ein Energieverbrauch von 2590-3250kWh pro Tonne Chlor erforderlich sind.
   

• Vorteile: Reines Chlor entsteht, bei einem Energieaufwand (je kg Chlor) von etwa 3 kWh. Welches somit um 0,5 kWh/kg unter dem Energieverbrauch des Amalgamverfahrens liegt. Außerdem können Hypochlorite und Chlorate hergestellt werden.
   

• Nachteile: Die entstehende Natronlauge ist sehr verdünnt und mit Natriumchlorid verunreinigt. Eine nachfolgende Salzabtrennung und ein Eindampfen der Natronlauge ist deshalb zusätzlich notwendig.