Betrachtung der Nachhaltigkeitskriterien bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse

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Einen Produktionsprozess so zu optimieren, dass dieser nicht nur wirtschaftlich, sondern auch nachhaltig ist, stellt für Unternehmen eine große Herausforderung dar. Die Chemieunternehmen versuchen deshalb bei Themen wieder Rohstoffrückgewinnung, der Herstellung von Grundchemikalien aus Biomasse oder der Energieeffizienz das Thema Nachhaltigkeit mehr und mehr in den Vordergrund zu stellen.

Die Elektrolyse ist eine altbekannte Methode, die zur Gewinnung von Metallen, Wasserstoff, Chlor und anderen Stoffen genutzt werden kann. Viele bekannte Naturwissenschaftler wie Faraday, Daniell, Wheatstone, Kohlrausch und Arrhenius beschäftigten sich seit dem 17. Jahrhundert mit der Erforschung und Verbesserung der Methode. In der heutigen Zeit ist die Elektrolyse in vielen Bereichen der Forschung und Industrie stark vertreten. Mithilfe der Elektrolyse werden organische Verbindungen wie Arcylnitril, Benzaldehyd, Toluol und Piperidin hergestellt, die für die organische Synthese weiterer Stoffe benötigt werden.

Doch wie hängt die Elektrolyse mit nachhaltiger Prozessführung zusammen? Die Verwendung einer Sauerstoffverzehrkathode bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse erweist sich bspw. als energieeffizientere Alternative zu gängigen Verfahren. Hier sind zur Synthese von Chlor, Wasserstoff und Natronlauge aus Natriumchlorid und Wasser das Diaphragmaverfahren und das Membranverfahren zu nennen.

  • Diaphragmaverfahren
    Das Diaphragma besteht meist aus Asbest. Durch eine kationendurchlässige, poröse Schicht wird die Sole aus dem Anodenraum in den Kathodenraum geströmt. Das Chlor wird an der Anode gebildet und aufgrund der porösen Trennschicht kommt dieses nicht mit den an der Kathode gebildeten Hydroxid-Ionen und Wasserstoff in Kontakt. So wird verhindert, dass das entstandene Chlor zu Chlorid- und Hypochlorit-Ionen disproportioniert. Durch Eindampfen der Lösung aus dem Kathodenraum wird das erhaltene Natriumchlorid aus der Natronlauge entfernt.
  • Membranverfahren
    In diesem Verfahren wird das Chlor ebenfalls an der Anode abgeschieden. Der Unterschied zu den vorherigen Verfahren liegt in der Verwendung einer Kationen-Austauschmembran. Diese ist nur durchlässig für hydratisierte Natrium-Kationen.

    Die entstehenden Chlorid- und Hydroxid-Ionen werden demnach von den Natrium-Kationen getrennt und es entsteht kein Natriumchlorid. Mit diesem Verfahren kann hochreine Natronlauge erhalten werden.

Das Membranverfahren besitzt gewisse Vorteile gegenüber dem Diaphragmaverfahren. Beim Membranverfahren wird kein Asbest verwendet und der Gesamtenergieverbrauch ist deutlich geringer. Desweiteren muss die Natronlauge nicht aufgereinigt werden, da diese nicht in Kontakt mit dem entstehenden Chlor kommt. Die Sauerstoffverzehrkathode ermöglicht es, die Produktion bei noch geringerem Stromverbrauch durchzuführen.

Wie genau die einzelnen Prozesse funktionieren und welche weiteren Vorteile die Umsetzung von Nachhaltigkeitskriterien mit sich bringt, diskutieren Experten auf den jeweiligen Gebieten mit den Teilnehmern des Dechema-Praxisforums "Electrolysis in Industry".

Weitere Themen, die im Praxisforum "Elektrolysis in Industry" angesprochen werden, sind die Nutzung von CO2 zur elektrochemischen Synthese unterschiedlicher Stoffe, Metallrecycling via elektrolytischen Verfahren und die Herabsetzung der CO2-Emission bei der Produktion von Eisen.

Praxisforum “Electrolysis in Industry”

Datum: 22. bis 23. November 2018

Ort: Dechema-Haus, Frankfurt am Main

Referenten von: ArcelorMittal, BASF, Covestro, Dechema, Haldor-Topsoe, Siemens, ThyssenKrupp, TU Clausthal, Umweltbundesamt

Infos: https://dechema.de/en/Electrolysis.html

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