תהליך כלור-אלקלי

מפעל כלור-אלקלי בבריטנה.

תהליך כלור-אלקלי (באנגלית: chloralkali process) הוא תהליך תעשייתי לאלקטרוליזה של תמיסת נתרן כלורי (NaCl, מלח בישול). בתהליך זה מייצרים כלור (Cl₂), מימן (H₂) ונתרן הידרוקסידי (NaOH) שהם חומרי מוצא חשובים בתעשייה הכימית.

חשיבות תעשייתית

תהליך כלור-אלקלי הוא השיטה הכמעט בלעדית לייצור של כלור ונתרן הידרוקסידי. היא אחראית לכ-95% מייצור הכלור העולמי, וכ-99.5% מייצור הנתרן ההידרוקסידי. המימן המיוצר בשיטה זו מהווה כ-4% מהייצור העולמי.

בשנת 2015 יוצרו בתהליך זה כ-65 מיליון טון כלור.

תוצרי התהליך הכלור-אלקלי

תמונה	תוצרים	שימושים
	כלור (Cl2)	מחמצן בתהליך ההפקה של ברום ויוד. ייצור חומרי חיטוי והלבנה (בדגש על אקונומיקה). ייצור של חומרי פלסטיק (בדגש על PVC).
	מימן (H2)	חומר גלם בתהליך הייצור של אמוניה ומתנול. יישום בתהליכי הידרוגנציה של פחממנים לא רווים.
	נתרן הידרוקסידי (NaOH)	בסיס חזק למגוון יישומים תעשייתם. מגיב חשוב בתעשיית העץ והנייר. משמש בתהליך ההעשרה של אלומיניום מעפרותיו. מגיב חשוב בסינתזה אורגנית.

אלקטרוכימיה

התהליך הכלור-אלקלי מבוסס על תגובה אלקטרוכימית בה מים עוברים תהליך חיזור בקתודה לקבלת יוני הידרוקסיד (^-OH), וגז מימן (H₂):

$2H_{2}O+2e^{-}\longrightarrow H_{2}+2OH^{-}$

בנוסף, יוני כלור מתחמצנים באנודה לקבלת גז כלור (Cl₂):

$2Cl^{-}\longrightarrow Cl_{2}+2e^{-}$

כיוון שמקור יוני הכלור הוא בתמיסת ה-NaCl, ניתן לרשום את תגובת האנודה, בצורה הבאה:

$2NaCl\longrightarrow 2Na^{+}+Cl_{2}+2e^{-}$

התגובה הכוללת בתהליך היא:

$2NaCl+2H_{2}O\longrightarrow 2NaOH+H_{2}+Cl_{2}$

יש לשמור על הפרדה בין גז המימן לגז הכלור למנוע תגובת יצירת של חומצת מימן כלורי וכן למנוע מגע בין גז כלור לנתרן הידרוקסיד למנוע תגובת יצירה של נתרן תת-כלורי (NaOCl): $Cl_{2}+2OH^{-}\longrightarrow Cl^{-}+OCl^{-}+H_{2}O$

נגזרות של התהליך

באופן מסורתי, תהליך הכלור-אלקלי עושה שימוש בנתרן כלורי (NaCl) כחומר המוצא, על כן, התוצר העיקרי המתקבל הוא נתרן הידרוקסידי (NaOH). אולם, ניתן להחליף את חומר המוצא במלחים אחרים ולקבל תרכובות אחרות, לדוגמה:

חומר המוצא	תוצרים
אשלגן כלורי	אשלגן הידרוקסידי, כלור, מימן
סידן כלורי	סידן הידרוקסידי, כלור, מימן
מגנזיום כלורי	מגנזיום הידרוקסידי, כלור, מימן

הערות: שני התהליכים האחרונים אינם מיושמים בקנה מידה גדול, בשל בעיות הקשורות למסיסות הנמוכה של הבסיסים.

טכנולוגיות עיקריות

אולם הייצור הראשי במפעל כלור-אלקלי, גרמניה, שנות ה-50.

התהליך הכלור-אלקלי מיושם ברחבי העולם, בשלוש טכנולוגיות עיקריות: ממברנה, מחיצה ואמלגמה. הסבר על הטכנולוגיות השונות, וטבלה השוואתית מופיעה להלן:

השוואה בין הטכנולוגיות העיקריות בתהליך הכלור-אלקלי
	ממברנה	מחיצה	אמלגמה
מתח תאורטי (V)	2.19	2.19	3.15
צפיפות זרם (KA/m2)	3-5	0.9-2.6	8-13
מתח התא (V)	3-3.6	2.9-3.5	3.9-4.2
בסיסיות (% משקלי של ההידרוקסידים)	33	12	50
צריכת אנרגיה כוללת (ACkWh/t Cl2)	2970	3580	3560

שיטת הממברנה (Membrane cell)

בטכנולוגיה זו מוזרמת תמיסה מרוכזת של מלח בישול לתא המחולק ל-2 חלקים המופרדים באמצעות קרום שמאפשר מעבר יונים חיוביים אך לא שליליים. תמיסת המלח מוזרמת לתא האנודה שם נוצר גז הכלור על אלקטרודת טיטניום. הגז המופק באנודה מעורב בחמצן הנוצר בתגובה $4OH^{-}\longrightarrow 2H_{2}O+O_{2}+4e^{-}$ כדי לנקות את התוצר מנזלים את הכלור באמצעות דחיסה בעוד החמצן נשאר גז.

בתא הקתודה נוצר על אלקטרודת פלדה גז מימן ותמיסה של NaOH בריכוז 30% שיוצאת מהתא, כדי לקבל תוצר בריכוז של 50% מנדפים חלק מהמים.

יתרונה של שיטה זו היא צריכת אנרגיה נמוכה ביחס לשיטות האחרות ובהיותה ידידותית לסביבה (ללא שימוש באזבסט או כספית); חסרונה בצורך להשתמש בתמיסת מלח נקייה מאוד כחומר גלם ואיכות נמוכה של הכלור המתקבל.

סכמה של פעולת תא ממברנה בתהליך כלור-אלקלי

שיטת המחיצה (Diaphragm cell)

בשיטה זו תא התגובה מופרד באמצעות מחיצת אזבסט או טפלון המאפשרת מעבר יונים ומונעת מעבר גז כלור מתא האנודה לתא הקתודה. כדי למנוע מעבר של תמיסת נתרן הידרוקסידי מחצי תא הקתודה לחצי תא האנודה (ותגובה לא רצויה ליצירת נתרן תת-כלורי ^-OCl) יש לשמור על זרימה רצופה של הנוזל בתא ומפלס הנוזל בחצי תא האנודה גבוה מבחצי תא הקתודה.

יתרונה של שיטה זו היא ביכולת להשתמש בתמיסת מלח בדרגת ניקיון נמוכה. חסרונה הוא זיהום תמיסת הנתרן ההידרוקסידי ב-NaCl, בצורך בתהליך נוסף להגדיל ריכוז התוצר והשימוש באזבסט.

סכמה של פעולת תא מחיצה Diaphragm Cell בתהליך כלור-אלקלי

שיטת אמלגמה (גם תא כספית, Mercury cell)

בטכנולוגיה זו שפותחה בשנות ה-90 של המאה ה-19. הקתודה היא כספית נוזלית בקרקעית המיכל ובה מתבצעת תגובת חיזור יוני נתרן לנתרן מתכתי שיוצר אמלגם עם הכספית:

$Na_{(aq)}^{+}+e^{-}\longrightarrow Na$

באנודות נוצר גז כלור היוצא מהמערכת כתוצר.

את הכספית בה מומס הנתרן מזרימים לתא שני בה היא נחשפת למים ומתרחשת התגובה:

$2Na\cdot Hg_{x(l)}+2H_{2}O_{(l)}\longrightarrow 2NaOH_{(aq)}+H_{2(g)}+2xHg_{(l)}$

יתרונה של שיטה זו, שהייתה הטכנולוגיה הראשונה בשימוש הוא בריכוז הגבוה של תמיסת הנתרן ההידרוקסידי המתקבלת כך שאין צורך בשלב נוסף של נידוף מים ובניקיון התוצר (מעט תגובה צדדית לקבלת נתרן תת-כלורי); חסרונה הוא השימוש בכספית רעילה שעלולה להתנדף או לזהם את התוצרים, כ-0.9 גרם כספית מתנדפת לסביבה לכל טון כלור המיוצר בשיטה זו.

סכמה של פעולת תא כספית בתהליך כלור-אלקלי

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא תהליך כלור-אלקלי בוויקישיתוף

• תהליך כלור-אלקלי, החברה המלכותית לכימיה
• התעשייה הכלור-אלקלית בבריטניה, סרט תיעודי קצר