Elektrolyse im Wandel der Zeit

Elektrochemie in der chemischen Industrie

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Die Elektrochemie ist eine sehr spezifische und technisch umsetzbare Synthesemethode, die sich mit der Zeit wandelt.

Aufgrund seiner hohen Reaktionsfähigkeit gehört Chlor zu den wichtigsten Grundchemikalien in der chemischen Industrie. Die bekanntesten Produkte, in deren Produktion Chlor eingesetzt wird, sind Polyurethane, Polycarbonate, Pharmawirkstoffe, Titandioxid und Polyvinylchlorid. Auch bei der Desinfektion von Wasser wird es benötigt. Viele großtechnische Verfahren nutzen die Elektrochemie zur Herstellung dieser Grundchemikalie.

Die Chlor-Alkali-Elektrolyse als Beispiel
Bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse entstehen aus einer Natriumchlorid-Sole an der Anode aus Chlorid-Ionen Chlorgas und an der Kathode aus Wasser Wasserstoffgas und Hydroxid-­Ionen. Die Hydroxid-Ionen reagieren mit den Natrium-Ionen des Salzes weiter zur Natronlauge. Wichtig bei dem Verfahren ist die Trennung der Produkte.
Die Chlor-Alkali-Elektrolyse kann in drei Verfahren unterschieden werden, die jeweils zur technischen Herstellung von Chlor genutzt werden können:

Diaphragmaverfahren
Das Diaphragma besteht 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 kommt aufgrund der porösen Schicht nicht mit den an der Kathode gebildeten Hydroxid-Ionen und dem Wasserstoff in Kontakt. So wird verhindert, dass das entstandene Chlor zu Chlorid- und Hypochlorit-Ionen weiter reagiert. Durch Eindampfen der Lösung aus dem Kathodenraum wird das verbliebene Natriumchlorid aus der Natronlauge entfernt.

Amalgamverfahren
Bei diesem Verfahren wird eine Kathode aus einem fließenden Quecksilberfilm verwendet, an der das gebildete Natrium mit dem Quecksilber direkt zu Natriumamalgam reagiert. Das Natriumamalgam reagiert mit Wasser über eine Graphit-Katalyse zu Natriumhydroxid und Wasserstoff, sodass das Quecksilber wieder in den Prozess zurückgeführt werden kann. An der Anode entsteht das gewünschte Produkt, Chlor.

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 sind demnach von den Natrium-Kationen getrennt und es entsteht kein Natriumchlorid. Mit diesem Verfahren kann hochreine Natronlauge erhalten werden.
Geht es auch energieeffizienter ?
Seit mehr als 20 Jahren wird aufgrund der Umweltprobleme, die durch Asbest und Quecksilber entstehen, nur noch das Membranverfahren in der großtechnischen Synthese von Chlor eingesetzt. Nicht nur die Herstellung von hochreiner Natronlauge spricht für dieses Verfahren, sondern auch der um ein Viertel verminderte Energieverbrauch. Hinzu kommt das 2014 eingeführte EU-Verbot zur Amalgam-basierten Chloralkali-Elektrolyse. Dieses Verbot fordert die Anlagenbetreiber auf, bis Ende 2017 die Anlagen mit Quecksilber-Zellen entweder auf das umweltfreundliche Membranverfahren umzurüsten oder stillzulegen.
Um die elektrochemische Synthese von Chlor umweltfreundlicher und energieeffizienter zu gestalten, wurden neue Technologien entwickelt. Eine Elektrode, die zur Herabsetzung des Energiebedarfs entwickelt wurde, ist die Gasdiffusionselektrode. Sie wird an der Kathode platziert. Dort ist auch Sauerstoff vorhanden, so dass sich anstelle des Wasserstoffs Wasser bilden kann.
Doch warum ist dieses Verfahren energie­effizienter als das etablierte Membranverfahren? Welche Anforderungen definieren die Durchführung und welche Schwierigkeiten müssen bedacht werden? Diese Fragen sollen auf dem Praxisforum „Elektroylsis in Industry“ von den Experten beantwortet werden.

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