A partir de la electrolisis de la sal (NaCl) se puede obtener sosa y cloro (además de H2 como subproducto):
2 NaCl+ 2H2O → 2 NaOH + Cl2 + H2
Para la descomposición de la sal se diferencian tres tecnologías:
- Células de diafragma
- Células de cátodo de mercurio
- Células de membrana
La tecnología de células de membrana se puede considerar como nueva mientras las otras dos se pueden definir como clásicas. Mientras las células de diafragma se basan en tecnología de Estados Unidos, la de mercurio tiene sus bases en Europa.
CELULAS DE DIAFRAGMA
La instalación consta de tres secciones:
- Purificación de la salmuera
- Sección electrolítica
- Tratamiento de los productos
1. Purificación de la salmuera
Suele ser normal que en la sal se encuentre iones tales como Ca2+, Mg2+ o Fe+3 y hay que retirarlos ya que en condiciones alcalinas precipitan pudiendo romper el diafragma. Estos iones se separan por precipitación, en forma de carbonato o hidróxido.
Una vez purificada la salmuera esta se vuelve a saturar para ello utilizando una sal que no tenga los iones arriba mencionados.
2. Sección electrolítica
Una vez purificada la salmuera esta se introduce en la célula electrolítica donde ocurrirán las reacciones deseadas.
En el cátodo se reducirán los cationes de hidrógeno (quedando en la disolución los cationes de sodio) para ello utilizando un electrodo de hierro.
Cátodo: 2H2O +2e-→ 2OH- + H2
En el ánodo se da la oxidación de los iones de cloro (quedando libre en la disolución los iones de hidróxido) para ello utilizando un electrodo de grafito.
Ánodo: 2Cl-→ Cl2 + 2e-
Lo que se obtiene en la disolución final es hidrógeno, cloro, sosa y la sal que no se ha convertido.
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El potencial de la electrolisis es un parámetro vital para determinar el consumo energético. Cuando menor es el potencial utilizado menor será la energía consumida. Este potencial es la suma de tres componentes:
Potencial termodinámico
Es el potencial mínimo para que se den las reacciones en el ánodo y cátodo. Este potencial se puede determinar a partir de los datos termodinámicos utilizando la ecuación de Nerst. Este potencial se encuentra en torno a 2.3 V.
Potencial de sobrepresión
Al aplicar el potencial teórico o termodinámico no circula corriente por la célula. Por ello es necesario aplicar una sobrepresión de potencial (justificado por la polarización que se da en los electrodos). Esta polarización se da por la deposición de los gases sobre los electrodos. El valor de este potencial se estima en torno 0.5 V.
Potencial óhmnico
La corriente eléctrica tiene que atravesar el electrolito y el diafragma por lo que en ambas etapas se muestra una resistencia. Con objeto de disminuir esta resistencia los electrodos tienen que estar lo más cerca posible el uno del otro y además, deben tener la mayor superficie admisible.
Sumando este último potencial el total más o menos es de 3.8 V, lo que supone un consumo energético en torno a 2.2-2.8 kWh.
Hay que tener en cuenta que también se pueden dar reacciones secundarias que pueden influir en el rendimiento o consumo energético:
Disolución del cloro
El cloro se puede disolver en agua dando lugar a la siguiente reacción:
Cl2 + H2O→HClO + H+ + Cl-
Aparte de obtener menos cloro como producto, las especies obtenidas se pueden adherir al ánodo consumiendo corriente. Este efecto se puede disminuir aumentando la temperatura e introduciendo una salmuera saturada.
Difusión de los iones OH-
Los iones de hidróxido se pueden transferir de la zona catódica a la anódica por gradiente de concentración. Para disminuir este gradiente se suele trabajar con factores de conversión pequeños (alrededor del 50%) y obtener así unos rendimientos cercanos al 100%. Por otro lado, si se logra descargar oxígeno en el ánodo este puede oxidar el grafito generando CO2 y este aparte de contaminar el cloro, consumirá el electrodo. Al consumirse el electrodo aumentado la distancia entre ánodo y cátodo haciendo que el consumo energético aumente.
3. Productos
Uno de los productos obtenidos, como ya se ha mencionado con anterioridad, es el cloro que saldrá de la célula caliente y húmedo. El cloro se seca y se comprime hasta dar su forma líquida.
El hidrógeno obtenido en el cátodo aparece en cantidades pequeñas y por ello se utiliza como combustible en la propia planta o para formular ácido clorhídrico si este se requiere.
La sosa obtenida en disolución está concentrada al 12% y para comercializarla hay que concentrarla hasta un 50% utilizando sistemas de evaporación. Las impurezas de sal que pueda haber en la sosa se retiran y se utilizan para saturar la salmuera que entra a la célula (debido a su gran pureza).
CELULAS DE CATODO DE MERCURIO
Al igual que en el anterior caso, la sal también debe ser introducida a la célula una vez haya sido purificada. La peculiaridad de esta tecnología es que la sal entra en forma sólida.
En este caso el cloro se descarga en el cátodo de grafito mientras el sodio lo hace en el mercurio. La amalgama de mercurio-sodio que sale de la célula entra en una columna donde por contacto con agua esta se descompone para dar sosa e hidrogeno.
El cloro obtenido a diferencia del anterior sistema no tiene impurezas tales como el CO2 o el hidrógeno. En este caso no hay problemas de difusión de iones OH-.
A pesar de que la energía consumida es mayor si se compara con las células de diafragma, no se necesitan procesos auxiliares para aumentar la pureza de la sosa ya que esta sale con una pureza del 50% (y sin impurezas de NaCl).
CELULAS DE MEMBRANA
Es la tecnología más innovadora y la que requiere menor consumo energético. Mediante este sistema se obtiene sosa concentrada y pura.
Este método difiere del primero en el hecho de que se utiliza una membrana selectiva que no deja que se de la difusión de gases.
En este caso el electrolito solo está en contacto con el ánodo (que es de grafito), donde se obtiene el cloro. En la zona catódica (donde está el electrodo de hierro) se introduce agua desionizada para así generar los iones de hidroxilo. La membrana solo deja pasar por ella los iones de sodio para así generarse la sosa con una concentración próxima al 35%. La disolución obtenida se debe concentrar hasta obtener concentraciones de sosa del 50%.
