氯氣生產
氯氣可以通過從天然材料中提取，包括氯化鈉溶液的電解和其他方式產生。
氣體提取
[編輯]可以通過電解氯化鈉溶液（鹽水）來製造氯氣，這被稱為氯鹼法。氯氣的產生導致副產品苛性鈉（氫氧化鈉、NaOH）和氫氣（H2 ）。這兩種產品以及氯本身具有高反應性。氯氣也可以通過電解氯化鉀溶液來生產，在這種情況下，副產品是氫氣和苛性鉀（氫氧化鉀）。通過電解氯化物溶液提取氯的工業方法有三種，均按以下方程式進行：
- 陰極： 2 H + (aq) + 2 e - → H 2 (g)
- 陽極：2 Cl - (aq) → Cl 2 (g) + 2 e -
整體反應：2 NaCl（或KCl）+ 2 H 2 O → Cl 2 + H 2 + 2 NaOH（或KOH）
汞電池電解
[編輯]汞電池電解，是 19 世紀末用於工業規模生產氯氣的第一種方法。 [1] [2]多年來，使用的「搖擺」電池已得到改進。 [3]今天，在「原電池」中，將包覆有鉑[4]（以前稱為石墨陽極）的鈦陽極置於流過液態汞陰極的氯化鈉（或鉀）溶液中。當施加電位差並且電流流動時，氯在鈦陽極處釋放，鈉（或鉀）溶解在汞陰極中形成汞齊。此連續地流入到單獨的反應器，其中它通常是轉換回汞通過與水，產生氫氣和氫氧化鈉（或鉀）在商業上有用的濃度（質量比約為50％）。然後通過位於底部的泵將汞循環到原電池。
據估計，全世界仍有大約 100 家汞電池工廠在運行。在日本，到 1987 年，基於汞的氯鹼生產實際上已被淘汰（2003 年關閉的最後兩個氯化鉀裝置）。在美國，到 2008 年底將只有 5 家汞廠仍在運行。在歐洲，2006 年汞電池占產能的 43%，西歐生產商已承諾到 2020 年關閉或轉換所有剩餘的氯鹼汞工廠。 [5]
隔膜電解槽（雙極）
[編輯]在隔膜電解槽電解中，石棉（或聚合物纖維）隔膜將陰極和陽極隔開，防止在陽極形成的氯與在陰極形成的氫氧化鈉和氫氣重新混合。 [6]這項技術也是在十九世紀末發展起來的。
鹽溶液被連續送入陽極室並通過隔膜流向陰極室，在陰極室中產生苛性鹼，而鹽水被部分耗盡。因此，隔膜法產生的鹼非常稀（約 12%）且純度低於汞電池法。
隔膜電池不存在防止汞排放到環境中的問題；它們還可以在較低的電壓下運行，從而比汞電池方法節省能源， [7]但如果將苛性鹼蒸發到 50% 的濃度，則需要大量的蒸汽。
膜電解
[編輯]這項技術的發展始於 1970 年代。電解池被充當陽離子交換劑的陽離子滲透膜分成兩個「部分」。飽和氯化鈉（或鉀）溶液通過陽極室，以較低濃度離開。 [8]氫氧化鈉（或鉀）溶液通過陰極室循環，以更高的濃度排出。離開電解池的一部分濃氫氧化鈉溶液作為產物轉移，而剩餘部分用去離子水稀釋並再次通過電解裝置。
這種方法比隔膜電池更有效，可以生產濃度約為 32% 的非常純的氫氧化鈉（或鉀），但需要非常純的鹽水。
其他電解工藝
[編輯]儘管涉及的生產規模要小得多，但電解隔膜和膜技術在工業上也用於從鹽酸溶液中回收氯，產生氫氣（但沒有苛性鹼）作為副產品。
此外，熔融氯化物鹽的電解（達斯工藝）也能夠產生氯，在這種情況下，作為金屬鈉或鎂製造的副產品。
其他方法
[編輯]在使用電解方法生產氯氣之前，在 迪肯工藝中使用氧氣（經常暴露在空氣中）直接氧化氯化氫： 4HCl + O2 → 2 Cl2 + 2 H2O
另一個較早的生產氯氣的方法是用酸和二氧化錳加熱鹽水。 2 NaCl + 2H 2 SO 4 + MnO 2 → Na 2 SO 4 + MnSO 4 + 2 H 2 O + Cl 2
使用這個過程，化學家舍勒是第一個在實驗室中分離出氯的人。錳可以通過韋爾登法回收。 [9]
通過將濃鹽酸放入帶有側臂和橡膠管的燒瓶中，可以在實驗室中製造少量氯氣。然後加入二氧化錳並塞住燒瓶。該反應不會大量放熱。由於氯的密度比空氣大，因此可以通過將試管放入燒瓶中置換空氣來輕鬆收集氯。裝滿後，可以將收集瓶塞住。
在實驗室中產生少量氯氣的另一種方法是在次氯酸鈉或氯酸鈉溶液中加入濃鹽酸（通常約為 5M）。
高錳酸鉀加入鹽酸可產生氯氣。
2KMnO4 + 16HCl→ 2KCl + 2MnCl +8H2O+5Cl2
膜工業生產
[編輯]大規模生產氯氣涉及多個步驟和多台設備。該工廠還同時生產氫氧化鈉（苛性鈉）和氫氣。一個典型的工廠包括鹽水生產/處理、電池操作、氯氣冷卻和乾燥、氯氣壓縮和液化、液氯儲存和裝載、苛性鹼處理、蒸發、儲存和裝載以及氫氣處理。
冷卻和乾燥
[編輯]由於出口氣體的溫度可能超過 80°C，並且含有使氯氣腐蝕鐵管道的水分，因此必須冷卻和乾燥離開電池線的氯氣。冷卻氣體允許來自鹽水的大量水分從氣流中冷凝出來。冷卻還提高了壓縮和隨後的液化階段的效率。理想的氯出口溫度在 18°C 和 25°C 之間。冷卻後，氣流通過一系列帶有逆流硫酸的塔。這些塔逐漸從氯氣中去除任何殘留的水分。在離開乾燥塔後，氯被過濾以去除任何剩餘的硫酸。
壓縮和液化
[編輯]可以使用幾種壓縮方法：液環式、往復式或離心式。氯氣在這個階段被壓縮，並且可以通過中間冷卻器和後冷卻器進一步冷卻。壓縮後，它流向液化器，在那裡它被冷卻到足以液化。作為液化系統壓力控制的一部分，不凝性氣體和剩餘的氯氣被排出。這些氣體被輸送到氣體洗滌器，生產次氯酸鈉，或用於生產鹽酸（通過與氫氣燃燒）或二氯乙烷（通過與乙烯反應）。
儲存和裝載
[編輯]液氯通常通過重力送入儲罐。它可以通過泵裝載到鐵路或公路罐車中，也可以用壓縮乾燥氣體填充。
氫氣處理
[編輯]作為副產品生產的氫氣可以未經處理直接排放到大氣中，或者冷卻、壓縮和乾燥以用於現場的其他過程，或通過管道、鋼瓶或卡車出售給客戶。一些可能的用途包括鹽酸或製造過氧化氫，以及脫硫的石油，或用作燃料在鍋爐或燃料電池。
能源消耗
[編輯]氯的生產非常耗能。 [10]單位重量產品的能耗不低於鋼鐵製造[11]而高於玻璃[12]或水泥的生產。 [13]
由於電是生產氯氣不可缺少的原料，因此無法降低電化學反應所對應的能耗。節能主要是通過應用更高效的技術和減少輔助能源使用來實現的。
參考
[編輯]- ^ Pauling, Linus, General Chemistry, 1970 ed., Dover publications
- ^ Electrolytic Processes for Chlorine and Caustic Soda. Lenntech Water treatment & air purification Holding B.V., Rotterdamseweg 402 M, 2629 HH Delft, The Netherlands. [2007-03-17]. （原始內容存檔於2022-01-29）.
- ^ Mercury cell. Euro Chlor. [2007-08-15]. （原始內容存檔於2011-09-18）.
- ^ Landolt, D.; Ibl, N. Anodic chlorate formation on platinized titanium. Journal of Applied Electrochemistry (Chapman and Hall Ltd.). 1972, 2 (3): 201–210. doi:10.1007/BF02354977.
- ^ Regional Awareness-raising Workshop on Mercury Pollution (PDF). UNEP. [2007-10-28]. （原始內容 (PDF)存檔於2007-10-29）.
- ^ Diaphragm cell. Euro Chlor. [2007-08-15]. （原始內容存檔於2007-09-27）.
- ^ Kiefer, David M. When the Industry Charged Ahead. Chemistry Chronicles. [2007-03-17]. （原始內容存檔於2018-11-18）.
- ^ Membrane cell. Euro Chlor. [2007-08-15]. （原始內容存檔於2007-08-14）.
- ^ The Chlorine Industry. Lenntech Water treatment & air purification Holding B.V., Rotterdamseweg 402 M, 2629 HH Delft, The Netherlands. [2007-03-17]. （原始內容存檔於2022-01-29）.
- ^ Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) - Reference Document on Best Available Techniques in the Chlor-Alkali Manufacturing Industry. European Commission. [2007-09-02]. （原始內容存檔於2010-07-01）.
- ^ Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) - Best Available Techniques Reference Document on the Production of Iron and Steel. European Commission. [2007-09-02]. （原始內容存檔於2007-09-28）.
- ^ Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) - Reference Document on Best Available Techniques in the Glass Manufacturing Industry. European Commission. [2007-09-02]. （原始內容存檔於2010-07-01）.
- ^ Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) - Reference Document on Best Available Techniques in the Cement and Lime Manufacturing Industries. European Commission. [2007-09-02]. （原始內容存檔於2010-07-01）.
