工業食鹽水電解法

Posted on 2014/11/12 in 化學, 化學技術與應用, 化學與社會 with 尚無留言 18,454 views

工業食鹽水電解法
國立臺灣師範大學化學系學士班三年級俞姿宇

在氯鹼工業上，電解食鹽水製造氯氣、燒鹼（氫氧化鈉），在陽極生成氯氣，陰極生成氫氣及氫氧化鈉，工業上避免（1）氫氣和氯氣混和形成爆炸性的混和物（2）氫氧化鈉在電解槽中擴散到陽極與氯氣發生反應形成次氯酸鈉，降低氫氧化鈉產量，採用隔膜法、汞極法或薄膜法。

隔膜法（Diaphragm cell process）

在陽極與陰極之間設置石棉隔膜，是多孔性滲透隔層，在陽極端不斷地注入飽和食鹽水，是推動食鹽水流向的動力來源，氯離子在陽極被氧化成氯氣，由上方收集管收集，經過冷卻乾燥後成為化工原料。沒進行反應的鈉離子和剩餘的氯離子，通過石棉隔膜，到達陰極室，陰極電解水產生氫氣和氫氧離子$$(\mathrm{2H_2O+2e^-\longrightarrow H_2+2OH^-})$$，由上方收集管收集氫氣。氫氧離子和鈉離子形成氫氧化鈉，與稀食鹽水共同流出，經蒸發器濃縮分離，此法產出的氫氧化鈉含有3%左右的氯化鈉，不能用於人造絲與合成纖維的生產。

滲流量由陽極室與陰極室的液面差所造成的壓力來維持。流速慢，氫氧化鈉濃度高，但因推動力太弱，有少量氫氧根離子會反向流回陽極，降低電解效率。流速太快，則會降低陰極室的鹼液濃度，需要較多的能量才能精化。

隔膜法中，飽和食鹽水的品質要求高，由於石綿纖維隔膜屬於物理性的阻絕，鈣、鎂離子在鹼性環境下會產生氫氧化鈣、氫氧化鎂沉澱在隔膜上，隔膜壽命簡短。若人體不慎吸入石綿粉塵會導致肺部纖維化且致癌。

圖一$$~~~$$隔膜法

汞極法（Mercury cell process或Castner-Kellner process）

汞極法是以汞金屬作為電解的陰極，電解質溶液的陽離子還原析出的金屬可與汞形成汞齊（amalgam），鈉金屬與汞結合即形成鈉汞齊，由於汞為密度大之液體，可平貼在電解槽底部通上直流電，為陰極，陰極和陽極間的距離應適當調節，避免短路，電解槽底部設計成小幅度傾斜的厚鋼板，使鈉汞齊能朝低處流動，鈉汞齊將流向解汞器，經熱水分解成汞、氫氣和氫氧化鈉溶液。汞藉由幫浦回到電解槽內重新使用，此為水銀循環線路。氫氣經冷卻器冷卻除去汞蒸氣；氫氧化鈉溶液經過活性碳除去汞微粒，此法生產的氫氧化鈉濃度特別高，可用於人造絲的製造。

氯氣在石墨陽極上產生，穿過食鹽水層冒出，由上方出口管收集，會摻雜陰極產生的氫氣。電解後剩餘的稀食鹽水，經氯化氫酸化、吹入空氣脫氯，再加入大量的氯化鈉固體，使其飽和，並去除鎂、鈣等雜質，重新回到電解槽內再利用，此為食鹽水循環線路。

此法可生產高純度氫氧化鈉、氯氣和氫氣，但是產出的產品及廢棄物均含有少量水銀；低濃度的雜質，如鎂、鈣、鐵，沉積產生汞污泥，容易造成土壤污染，引起水俁病，臺灣氯鹼工業已在1988年底完全禁止使用汞極法製成，現在已被薄膜法取代。

圖二$$~~~$$汞極法

薄膜法（Membrane cell process）

薄膜法是1972開始使用的方法，利用離子交換膜隔開陰陽極，陽極側注入精鹽水，氧化生成氯氣，陰極側注入超純水，電解水產生氫氣和氫氧根離子，離子交換膜只允許正離子通過，以便鈉離子能和氫氧根離子結合生成氫氧化鈉，同時避免氯氣和氫氧根離子發生反應生成次氯酸根$$(\mathrm{Cl_2+2OH^-\longrightarrow Cl^-+ClO^-+H_2O})$$。離子交換膜法的電解槽的費用最低，且幾乎沒有公害汙染問題，是目前台灣氯鹼工業中的主流生產方式。