Tema_3 Quimica Industrial

TEMA 3. AGUA DE MAR1.

OBTENCIÓN DE AGUA POTABLE

2. INDUSTRIA QUÍMICA DERIVADA DEL NaCl

2.1 Proceso Leblanc: descomposición con H2

SO4

para obtener Na2

CO32.2 Proceso Solvay: descomposición con NH4

HCO3

para obtener Na2

CO32.3 Descomposición electrolítica de la sal fundida: obtención Na

(y Cl2

)2.4 Descomposición electrolítica de la disolución: obtención de NaOH, Cl2

e H2

1.1 Destilación

1.1.1 Evaporación con múltiple efecto: evaporadores de tubos largos 1.1.2 Destilación relámpago/instantánea (Flash)1.1.3 Evaporación solar

1.2 Congelación

1.3 Membranas1.3.1 Ósmosis inversa1.3.2 Electrodiálisis

Elementos básicos de la desalación:

Un sistema de desalación se puede definir como un proceso de separación:

Se introduce una corriente de alimentación salina a la unidad desaladora.

A la salida, se obtienen dos corrientes : producto + rechazo/salmuera

Alimentación

Producto

Salmuera

Aporte de energía de separación

desalación

1.


Los sistemas de desalación se suelen clasificar en dos grandes grupos,

en función del tipo de proceso de separación en el que se basan:

Separación del agua:-

Destilación

-

Congelación-

Ósmosis inversa

Separación de las sales:-

Electrodiálisis

-

Intercambio iónico-

Depuración química

1.


Termodinámicamente: Hay menos consumo de energía separando las sales que el agua

Económicamente: Los métodos de separación de agua son menos costosos:-

Consiguen agua potable desde el primer momento

-

Los costes de resinas de intercambio o reactivos son elevados

Dentro de los métodos de separación del agua, los sistemas de desalación se

suelen clasificar en tres grandes grupos, en función del tipo de proceso de separación en el que se basan:

Sistemas de destilación: se basan en técnicas de evaporación Sistemas de membranas: basados en la permeabilidad de membranas Congelación

En el primer caso: se necesita calentar (calor sensible: 85 kcal

/ kg) y evaporar el agua (calor latente: 540 kcal/kg) y en una segunda fase, condensar el vapor. La fuerza motriz es la diferencia de temperatura (o de presión de vapor).

En el segundo caso, se utiliza un diferencial de presión (o de potencial eléctrico) a ambos lados de la membrana (3 kcal/kg) . Esta presión fuerza al agua a atravesar la membrana mientras las sales son rechazadas. Presenta menor consumo de energía pues no requiere cambio de fase.

1.


En el tercer caso: se necesita enfriar (calor sensible: 15 kcal

/ kg) y congelar el agua (calor latente: 80 kcal/kg). Menos consumo energético pero mucho consumo de agua de lavado de los cristales.

1.1 Destilación

1.1.1 Evaporación con múltiple efecto: evaporadores de tubos largos

El agua de mar se hace hervir en una serie de tanques o “efectos”.

En el primer efecto se consume energía (vapor) para hacer hervir el agua de mar.

El vapor producido en el primer efecto también pasa al segundo: allí

se condensa, cediendo calor latente a la salmuera ,que continúa evaporando agua y concentrándose.

La disolución concentrada pasa al segundo efecto.

El vapor condensado en el efecto “n”

produce vacío en el efecto “n-1”:

favorece la evaporación.

1.


E l consumo de energía de vaporización es muy alto y sólo es rentable si se aprovecha el vapor generado como agente de calefacción en efectos posteriores

Disolución concentrada o salmueraDisolución concentrada o salmueraVideo 1: animación evaporador.

1.1.2 Destilador relámpago/instantáneo (Flash), proceso de evaporación súbita multietapa

1.


El agua de mar que constituye la alimentación, se precalienta circulando como fluido refrigerante en los condensadores del vapor producido.

Una vez precalentada, entra en el primer efecto: se encuentra con una presión más baja y sufre una destilación instantánea.

Esta menor presión o vacío es debida a la condensación del vapor .

En los demás efectos ocurre lo mismo.

El agua entra a cada cámara y se encuentra una presión inferior a la que corresponde al equilibrio L-V a la temperatura a la que está, y sufre una destilación súbita o instantánea.

1.1 Sistemas de destilación

1.1.2 Destilador relámpago/instantáneo (Flash), proceso de evaporación súbita multietapa

1.

OBTENCIÓN DE AGUA POTABLE1.1 Sistemas de destilación

Evaporación solar

1.


La destilación solar consiste en la utilización de la energía solar para el proceso de evaporación del agua de mar. Este proceso no implica hacer hervir el agua, sólo se da evaporación.

El principio básico es el del efecto invernadero: el sol calienta una cámara de aire a través de un cristal transparente, en cuyo fondo tenemos agua salada en reposo.

Dependiendo de la radiación solar y otros factores, como la velocidad del viento que enfría el vidrio exterior, una fracción de esta agua salada se evapora y se condensa en la cara interior del vidrio.

1.1 Sistemas de destilación

Como dicho vidrio está

colocado inclinado, las gotas caen en un canal que va recogiendo dicho condensado evitando que vuelvan a caer a la salmuera

Videos 2 y 3: destilación con sol.

Este proceso consiste en congelar el agua y recoger los cristales de agua pura formados para fundirlos y obtener un agua dulce

1.2 Congelación

1.


En la cámara de congelación se van formando cristales de hielo puro que serán conducidos a una torre de lavado y seguidamente a la cámara de fusión

La dificultad de este procedimiento radica en el lavado de los cristales:

Resulta muy difícil lavar completamente y sin dejar rastro de sustancia salina. Origina un gasto considerable de agua pura.

1.


1.3 Membranas

Procesos en los que se utilizan membranas semipermeables. Se utilizan para eliminar sustancias disueltas (sales).

1.3.1 Ósmosis inversa

1.


1.3.1 Ósmosis inversa

1.3 Membranas

Videos 4 a 6: destilación con membranas.

El proceso de electrodiálisis tiene su origen en la electrolisis.

1.


1.3 Membranas

1.3.2 Electrodiálisis

Cuando se dispone de una disolución en una cuba, y se aplica una tensión eléctrica entre dos electrodos, los iones disueltos son atraídos hacia los electrodos por efecto de las cargas eléctricas opuestas.

Los cationes son atraídos hacia el cátodo mientras que los aniones lo son hacia el ánodo.

En las cercanías de esos electrodos se producen determinadas reacciones químicas, llamadas reacciones de electrodo.

En este proceso, en la cuba electrolítica se colocan en paralelo membranas catiónicas y aniónicas, de forma alternada.

Al aplicar la diferencia de potencial, los iones empezarán a moverse, pero se van a encontrar con una membrana selectiva: permeable o impermeable

catiónicaaniónica

En unas zonas aumenta la concentración de sales (rechazo) y en otras disminuye (producto)

Al aplicar la diferencia de potencial, los iones empezarán a moverse, pero se van a encontrar con una membrana selectiva: permeable o impermeable

En unas zonas aumenta la concentración de sales (rechazo) y en otras disminuye (producto)

1.


1.3 Membranas


1.


1.3 Membranas


Proceso:


Proceso utilizado durante siglo XIX para obtención de Na2

CO3.Se considera el

proceso desencadenante

de la industria química mundial

Primera etapa:2 NaCl

+ H2

SO4

Na2

SO4

+ 2 HCl

Segunda etapa:Na2

SO4

+ CaCO3

+ 2 C Na2

CO3

+ CaS

+ 2 CO2

Separación del Na2

CO3

soluble en agua

Problemas de contaminación: HCl, CaS. El proceso fue realmente exitoso cuando se consiguió

recuperar el S del CaS

para obtener H2

SO4

, que volvía al ciclo.

2.1 Proceso Leblanc: descomposición con H2

SO4

para obtener Na2

CO3

Obtención de Na2

CO3

Proceso más barato y menos contaminante que el proceso Leblanc

Reacción global:2NaCl + CaCO3

Na2

CO3

+ CaCl2 Ciclos:

1. Una disolución de NaCl

se descompone con otra disolución de NH4

HCO3

, dando NaHCO3

que precipita en la disolución de NH4

Cl

NaCl

(l)+

NH4

HCO3

(l) NaHCO3

(s)+

NH4

Cl (l)

El precipitado (NaHCO3

) se separa de la disolución por filtración


2.2 Proceso Solvay: descomposición con NH4

HCO3

para obtener Na2

CO3

2. Obtención del

Na2

CO3

.

El bicarbonato sódico se calienta (160-230ºC), y se obtiene el carbonato, dióxido de carbono y agua.

2NaHCO3

Na2

CO3

+ CO2

+ H2

O

3. Recuperación del amoniaco. La disolución de NH4

Cl

se calienta con cal.

2 NH4

Cl + CaO

2NH3

+ H2

O + CaCl2

4. Obtención de la cal necesaria para el ciclo anterior: calcinación de CaCO3

.

CaCO3

CaO

+ CO2



HCO3

para obtener Na2

CO3

5. Obtención del bicarbonato amónico NH4

HCO3

para el ciclo 1.

CO2 + NH3

+ H2

O NH4

HCO3

Ciclos:



HCO3

para obtener Na2

CO3

NaCl + NH4

HCO3

NaHCO3

+ NH4

Cl

filtración

2NaHCO3

Na2 CO3 + CO2

+ H2

O

2 NH4

Cl + CaO

2NH3

+ H2

O + CaCl2

CaCO3 CaO

+ CO2

1

2

3

4

NH4

HCO3 ←CO2 + NH3

+ H2

O 5

2NaCl + CaCO3

Na2

CO3

+ CaCl2 Reacción global:

Ciclos:



HCO3

para obtener Na2

CO3

Instalación Solvay

La salmuera se resatura

pasando por la torre 2, que contiene un lecho de NaCl

sólido obteniéndose la sal muera amoniacal.

La salmuera (disolución saturada de NaCl) se filtra y se alimenta por arriba a la torre 1.

La salmuera amoniacal se alimenta a la torre 3 (torre Solvay).



HCO3

para obtener Na2

CO3

Esta torre, por debajo, recibe el NH3

generado en la columna 5. Así, la sal muera se amoniaca y diluye por el vapor de agua que acompaña al NH3

.

El CO2

obtenido en el horno 7 se borbotear sobre la salmuera amoniacal. El CO2

se disuelve:

CO2

(g) + H2

O (l) ↔ HCO3-+ H+

El NH3

de la salmuera reacciona con el H+

para formar iones amonio: NH3

+ H+

↔ NH4+

Irá

precipitando NaHCO3

: HCO3-

+ Na+

↔ NaHCO3

Por la parte baja de la columna Solvay sale la disolución de NH4

Cl

con NaHCO3

en suspensión, y se lleva al filtro 8.

Formación del Na2

CO3

(producto)El NaHCO3

se separa por filtración y se lleva al horno 6 donde se calienta a 160-230ºC

y se obtiene Na2

CO3

y CO2

que se envía a la torre 3.

Recuperación del NH3

En el horno 7 de cal se calcina carbonato cálcico y se obtiene CO2

(para la torre 3) y CaO: CaCO3

(s) → CaO

(s) + CO2

(g)

El Cao se lleva a la columna 9 donde se hidrata: CaO

+ H2

O

Ca(OH)2

(lechada de cal). Finalmente, se lleva a la columna 5.

La disolución de NH4

Cl

proveniente del filtro 8 se lleva también a la columna 5:

2 NH4

Cl + CaO

2NH3

+ H2

O + CaCl2

El amoniaco obtenido se recicla y se usa para formar la salmuera

amoniacal.

El CaCl2

obtenido constituye un producto secundario del proceso Solvay.

Instalación Solvay



HCO3

para obtener Na2

CO3

Impacto ambiental

1.-

Residuo sólido:

2.-

Contaminación atmosférica

3.-

Contaminación térmica

CaCl2

es un subproducto. Aplicaciones: agente de secado, anti-hielo, aditivo en hormigón…

Una parte del NH3

se pierde. CO2

del horno de calcinación

Algunos procesos son exotérmicos: aguas de refrigeración.



HCO3

para obtener Na2

CO3

Recuperación del NH3 . La columna 5 es fundamental en la instalación pues la economía del proceso viene regida, fundamentalmente, por la recuperación del NH3

. De cada 100 kg

de NH3

que se alimentan a la columna, 78 están como ClNH4

, 2 kg

como SO4

(NH4

)2

, y los otros 20 como CO3

(NH4

)2 y CO3

H(NH4

).

Aspecto económico

Para analizar este sistema usaremos el Diagrama de Jaenecke

Es una pirámide cuadrangular donde:-

cada vértice de la base corresponde a una sal- los lados de la base corresponden a los iones

(se sitúan en vértices contiguos las sales con ión común)- la altura de la pirámide corresponde al agua.

Simplificación: si el proceso se lleva a cabo sin variación en la proporción del agua, se puede seguir la evolución del sistema en un único plano (base).



HCO3

para obtener Na2

CO3

Para conocer la óptima utilización de los reactivos, hay que conocer el equilibrio clave del proceso, correspondiente a la primera reacción del ciclo.

NaCl

(l)+

NH4

HCO3

(l) NaHCO3

(s)+

NH4

Cl (l)

En el sistema hay H2

O y los iones Cl-, HCO3-, Na+

y NH4+, por tanto depende de 5

componentes.

Las sales de vértices consecutivos tienen ión común.

Unidades diagrama : mol / moles totales

Ejemplos:

Disolución de NaCl

Disolución de NaCl

+ NH4

Cl

Disolución de 5 moles NaCl

+ 5 moles de NH4

Cl

Disolución de NaCl

+ NH4

HCO3

Disolución de 10 moles de NaCl

+ 40 moles de NH4

Cl

Disolución de 10 moles de NaCl

+ 40 moles de NH4

HCO3

Reacción química



HCO3

para obtener Na2

CO3

TOTAL CATIONES: 10 + 70 = 80TOTAL

ANIONES: 50 + 30 = 80

Luego:NH4

+ = 10/80=0,125Na+ = 1-0,125 = 0,875Cl-

= 50/80 = 0,625HCO3

-

= 1-0,625 = 0,375

Punto representativo P:Estará

a 0,875 del lado izquierdo (del NH4+

) y a 0,125 del derecho (del Na+). Estará

a 0,375 del lado superior (del Cl-) y a 0,625 del inferior (del HCO3

-).

Ejemplo:

10 moles

de NH4

Cl30 moles

de NaHCO3

40moles de NaCl

NH4+ Na+ Cl- HCO3

-

10 moles

de NH4

Cl 10 0 10 0

30 moles

de NaHCO3 0 30 0 30

40 moles

de NaCl 0 40 40 0

TOTAL 10 70 50 30

Reacción química

2. INDUSTRIA QUÍMICA DERIVADA DEL NaCl2.2 Proceso Solvay: descomposición con NH4

HCO3

para obtener Na2

CO3

0,375

0,625

Diagrama de equilibrio de las sales T = 15ºC

Zonas de saturación de cada sal pura:DPEC-

NaHCO3 APEB-

NH4

Cl

BEC-

NaCl APD-

NH4

HCO3

Supongamos que la salmuera amoniacal, al carbonatarse, da lugar a la composición M:

(35 mol deNaCl

y 65 de NH4

HCO3

).



HCO3

para obtener Na2

CO3

Cl-

Na+

CO3

H-

NH4+

Al comenzar a precipitar el NaHCO3

la mezcla disuelta va perdiendo Na+

y HCO3-, luego se

aleja desde M hacia la izda

y hacia arriba. Sigue la línea que sale del vértice NaHCO3

y pasa por M, hasta que corta a la línea de saturación del NaHCO3

puro, en M’

La cantidad de NaHCO3

precipitada es función de la distancia MM’

y se mide en el eje vertical derecho como la distancia entre el vértice NaCl

y el punto m.

Diagrama de equilibrio de las sales T = 15ºC

Zonas de saturación de cada sal pura:DPEC-

NaHCO3 APEB-

NH4

Cl

BEC-

NaCl APD-

NH4

HCO3



HCO3

para obtener Na2

CO3

Cl-

Na+

CO3

H-

NH4+

El punto de partida siempre estará

en la diagonal NaCl-NH4

CO3

. Si empezamos en otra composición que no sea M, como T, O, V, R o S, se obtendrán los rendimientos de NaCO3

precipitada que se marcan en el eje vertical derecho.

Para marcarlo en el eje: se une M’

con el vértice superior derecho. Por M se traza una paralela a esta recta. Donde corta con el eje vertical derecho, se lee.

Por tanto, la composición óptima de partida es la correspondiente al punto O, que da la mayor cantidad de bicarbonato sódico precipitada.

Aplicaciones Na2

CO3

Fabricación vidrio: se utiliza una mezcla de Na2

CO3

, CaCO3

y SiO2

.

Ablandar el agua: el anión CO3-2

puede precipitar el Mg+2

y el Ca+2.

Fabricación papel: el Na2

CO3

se usa para obtener NaHSO3

, método al sulfito.

Fabricación bicarbonato sódico. Industria alimentaria.

Obtención de NaOH. Se obtiene por caustificación

del Na2

CO3

con cal.

Procesado de madera. Elimina grasas y neutraliza disoluciones ácidas.



HCO3

para obtener Na2

CO3

La sosa es más difícil de transportar que el Na2

CO3

; a menudo las fábricas se surten de carbonato ,y por caustificación

de su disolución, obtienen sosa en

disolución.

Caustificación

del Na2

CO3

La caustificación

consiste en hacer reaccionar una disolución de Na2

CO3

con lechada de cal:

Na2

CO3

(dis) + Ca(OH)2

(s) 2 NaOH

(dis)+ CaCO3

(s)

Aplicaciones Na2

CO3



HCO3

para obtener Na2

CO3

Caustificación

del Na2

CO3

lodo

Sedimentaciónreactor

lavado

Lodo

Na2

CO3

Ca(OH)2 H2

O

NaOH

Aplicaciones Na2

CO3



HCO3

para obtener Na2

CO3

ProducciónMt/año

EU 25 Resto Europa Norteamérica Sudamérica Asia Resto Total

Proceso Solvay 7,7 6,6 0,5 9,7 0,5 25

Minerales de Na 11,6 0,5 0,6 12,7

Fabricación mundial de Na2

CO3

Producción

Fabricación en Europa

En Europa hay 4 empresas que utilizan el método Solvay para obtener Na2

CO3

:

“Brunner

Mond”: 3 plantas, 1375 kt/año

“Solvay”: 7 plantas, 4.200 kt

/año

“Novacarb”: 1 planta, 600 kt/año.

“Sodawerk

Stassfurt”: 1 planta, 450 kt/año.



HCO3

para obtener Na2

CO3

Celdas electrolíticas (explicación general)

Electrolisis:

es un proceso en el que se utiliza una corriente eléctrica para que tenga lugar

una reacción química que no se da de forma espontánea.

Celda electrolítica: convierte la energía eléctrica en energía química.

Electrodos: son piezas compuestas por elementos conductores que permiten el flujo de electrones en una celda electrolítica. Uno de los electrodos es el ánodo y el otro es el cátodo.


2.3 Descomposición electrolítica de la sal fundida: obtención Na

(y Cl2

)Se puede obtener por este camino el Na

metal (producto principal) y el Cl gas (subproducto).

La cantidad obtenida de sustancia se puede calcular mediante las leyes de

Faraday de la electrolisis.

La cantidad de sustancia producida es proporcional a la cantidad de electricidad utilizada.

Para una cantidad dada de electricidad, la cantidad de sustancia producida es proporcional a su peso.

La cantidad de electricidad o carga que fluye durante un tiempo

determinado se

calcula mediante la siguiente ecuación:

Q = I x t Q = cantidad de electricidad o carga en culombios (C) I = intensidad en amperios (A) t = tiempo (segundos)



(y Cl2

)

Ejemplos:Calcular el tiempo necesario para depositar 56 g de plata a partir de una disolución de nitrato de plata usando una corriente de intensidad igual a 4,5 A

¿Qué

cantidad de masa se puede depositar a partir de una disolución de sulfato cúprico usando una corriente de 0,5 A durante 10 s?.

Célula de DownsEn el ánodo los iones cloruro se oxidan para formar cloro gas:

En el cátodo de hierro los iones sodio se reducen a átomos de sodio.

Ánodo: 2Cl-

- 2e-

Cl2 (g)

Cátodo: Na+

+ e-

Na

(l)

2NaCl 2 Na(l) + 1 Cl2

(g)

Reacción global:

Obtención de Na

(y Cl2

)



(y Cl2

)

El cátodo circular de hierro rodea al ánodo de carbón y los productos de la electrolisis se separan mediante una malla metálica para evitar que se pongan en contacto y vuelvan a formar NaCl.

Obtención de Na

(y Cl2

)



(y Cl2

)

Coste del proceso elevado.

Coste de construcción

Coste de electricidad

Elevada temperatura para fundir NaCl

(Tfusión

NaCl

= 806ºC).

Para disminuir el elevado punto de fusión del NaCl: se añade cloruro cálcico o

carbonato de sodio (T baja hasta unos 600ºC).

Añadir iones calcio en forma de cloruro cálcico no afecta a la reducción de iones

sodio porque el Ca+2

es un oxidante más débil que el sodio.

Obtención de Na

(y Cl2

)



(y Cl2

)

Aplicaciones del sodio

Lámparas de vapor de sodio

Como agente reductor en metalurgia: fabricación de Ti, Tl y W.

Como agente reductor en química orgánica: índigo, perfumes, medicamentos

Síntesis del antidetonante plomotetraetilo

(PbEt4

), aditivo de gasolinas

Producción de óxido de sodio (NaO), amiduro

sódico (NaNH2

), nitrato sódico (NaNO3

)

Obtención de Na

(y Cl2

)



(y Cl2

)

La electrolisis de disoluciones acuosas de cloruro sódico es la mayor de las

industrias electrolíticas.

Inicio del proceso industrial: 1890

Obtención de Cl2

, NaOH

e H2

: 2NaCl + 2H2

O Cl2

+ 2NaOH + H2

Tecnologías: Cátodo de hierro Cátodo de mercurio Célula de diafragma Célula de membrana

2.4 Descomposición electrolítica de la disolución: obtención de NaOH, Cl2

e H2


Etapas:

Purificación de la salmuera

Electrolisis

Purificación de los productos obtenidos

pc

Resaltado

Purificación de la salmuera: eliminación de los metales Ca+2, Mg+2, Fe+3, Al+3.

Se añade Na2

CO3

para precipitar el calcio como CaCO3

Se añade NaOH

para precipitar los otros metales como hidróxidos: Mg(OH)2

, Fe(OH)3

, Al(OH)3

.

Electrolisis


e H2


Purificación de los productos obtenidos

El cloro se usa directamente en una planta química adyacente o se comprime y se licua para su almacenamiento y transporte.

La sosa se comercializa en disolución acuosa al 50% en peso

una etapa de evaporación en las tecnologías de celdas de diafragma y membrana. Una parte se cristaliza para venderla en estado sólido.

El hidrógeno se comprime para su venta, se utiliza directamente en plantas químicas adyacentes o se quema para la obtención de energía en la propia planta de electrolisis.

Sistema tradicional: Cátodo de hierro y ánodo de grafito

Se usaba cátodo de Fe y ánodo de C por resistencia química y precio.Se usaban disoluciones saturadas de NaCl

para disminuir la solubilidad del Cl2

en el baño y por aumentar la conductividad.


e H2


Reacciones:Cátodo: 2H2

O + 2e-

H2

+ 2OH-

Ánodo: 2Cl-

-2e-

Cl2

-

La energía necesaria para la reacción electrolítica es de 50,4 kcal/mol.-

Esto supone 1,65 kWk/kg

Cl2 y una tensión mínima de 2,2 voltios, a la que se debe añadir un exceso de de 1,5 voltios

para superar sobretensiones debidas, fundamentalmente, al diafragma.

Vídeo 7: electrolisis del NaCl

Reacciones electródicas:

Ánodo: 2Cl-

- 2e-

Cl2Cátodo de Hg: Na+ +1e-

+ Hg NaHg

NaHg:

amalgama de sodio (0,5% peso Na) se lleva a un reactor. Allí reacciona con agua y se obtiene:

2NaHg

+ 2H2

O 2Hg + 2 NaOH

+ H2

Cátodo de mercurio


e H2


-

Se fundamenta en que el hidrógeno tiene una sobretensión mayor frente al Hg que al Na.-

Usa como cátodo una solución de mercurio y como ánodo grafito. -

Se usaban disoluciones saturadas de NaCl.-

El Na

descargado se amalgama y sale disuelto en la corriente de mercurio.- El Cl2

escapa por la parte superior.

El Hg se recupera y se recicla a la cuba

Temperatura : 60ºC

Salmuera

Concentración inicial: 30% pesoConcentración final: 24% peso

Disolución NaOH: 50%

Cada celda: 250 ánodos

Distancia inter-electródica inferior a 1 cm.

Cátodo de mercurio


e H2


Célula de diafragma


e H2


Las reacciones electródicas

son:

Ánodo: 2Cl-

- 2e-

Cl2Cátodo: 2H2

O + 2e-

H2

+ 2OH-

Los compartimentos anódico y catódico se encuentran separados por un diafragma

Diafragma: basado en amianto mezclado con diversos polímeros.

La salmuera se alimenta por el compartimento anódico (30% en peso).

En el ánodo se produce cloro, y parte de la salmuera migra hacia el cátodo por difusión: el diafragma es poroso.

En el cátodo la reducción del agua produce hidrógeno y iones hidroxilo, que junto con los iones sodio contenidos en la salmuera dan lugar a la sosa cáustica.

Tanto el hidrógeno como la sosa cáustica contaminada con NaCl

salen por la parte interior del cátodo.

Inconvenientes: relacionados con el uso del diafragma de amianto:

No es una barrera selectiva de iones. Junto con el ion

sodio migra el ion

cloruro hacia el catolito.

La concentración máxima de sosa obtenible en el cátodo es del 12% .

La limitación de la concentración de sosa al 12% (en peso) exige eliminar agua por evaporación hasta llegar al 50%.

→ Esta etapa incrementa mucho el consumo específico de energía del proceso global.

El amianto es un material cancerígeno

Célula de diafragma


e H2


La sosa cáustica está

contaminada con cloruro sódico

Se introdujeron en el mercado a partir de 1970.Las reacciones electródicas

son las mismas que en la celda de diafragma.

La diferencia fundamental con éstas es que en las celdas de membrana, el material que separa el anolito

del catolito

es una membrana de intercambio

catiónica, selectiva a los iones de sodio.

Por lo tanto, el catolito

no está

constituido por la salmuera que difunde del anolito, sino por una disolución acuosa diluida de hidróxido sódico que se alimenta independientemente.

La salmuera se alimenta por el compartimento anódico a una concentración del 25% en peso y a una temperatura de 80-95ºC.

Se obtiene así

una disolución de sosa cáustica prácticamente exenta de iones cloruro.

Célula de membrana


e H2


El principal inconveniente :la salmuera precisa de un procedimiento de purificación exhaustivo para evitar una drástica disminución de la vida de los ánodos y las membranas.

Célula de membrana


e H2


Comparación distintas tecnologías

Datos Hg cátodo Diafragma MembranaTensión celda V 4,4 3,45 2,95Densidad corriente, A/m2 10.000 2.000 4.000Eficacia corriente Cl2

, % 97 96 98,5

E. consumo específico, KWh/Tn NaOH

-Electrolisis 3.150 2.550 2.400-Total 3.150 3.260 2.520Pureza del cloro, % 99,2 98 99,3Pureza hidrógeno, % 99,9 99,9 99,9O2

en el Cl2

, % 0,1 1-2 0,3Cl-

en 50%NaOH, % 0,003 1-1,2 0,005NaOH

conc. antes

evaporación 50 12 35Necesidad

purificación

salmuera pequeña mediana grandeProductividad

por

celda

unitaria

(Tn

NaOH/año) 5.000 1.000 100


e H2


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Tema_3 Quimica Industrial