Die Chlor-Alkali-Elektrolyse basiert auf der Elektrolyse von Natriumchlorid. Es werden die Grundchemikalien Natriumhydroxidlösung, Chlor und Wasserstoff hergestellt. Ausgenutzt werden die verschiedenen Überspannungen von Gasen an bestimmten Materialien. Wenn die Elektrolyse großtechnisch durchgeführt wird, wird sie als Chlor-Alkali-Elektrolyse bezeichnet.
Die Grundgleichungen der Elektrolyse von Natriumhydroxid:
Diaphragmaverfahren
Das Diaphragmaverfahren basiert auf der Trennung der beiden Halbzellen durch ein Diaphragma. Die Anode besteht hier aus Titan, die Kathode aus Stahl. Die Reaktion wird durch Überspannung erzeugt. Das Diaphragma, ein Geflecht aus Teflon, ist für Gasbläschen undurchlässig und ermöglicht trotzdem den elektrischen Kontakt der Halbzellen.
Im Kathodenraum entsteht eine 12%ige Natronlauge mit 16% Natriumchlorid. Durch Eindampfen fällt das schwer lösliche Natriumchlorid aus und es entsteht eine 50%ige Natronlauge, zusammen mit Wasserstoff und Chlor.
Das Membranverfahren ist eine moderne Variante des Diaphragmaverfahrens. Das Diaphragma wird durch eine Polymermembran ersetzt, welche nur für Kationen durchlässig ist, jedoch undurchlässig für Gase, Chlorid-Ionen und Hydroxid-Ionen. Es entsteht eine 35%ige Natriumhydroxidlösung.
Das Membranverfahren wird inaller Betriebe für die großtechnische Herstellung von Natronlauge eingesetzt.
Reaktionsgleichungen für das Membranverfahren:
Vorteile und Nachteile des Membranverfahrens:
Das Amalgamverfahren
Das Amalgamverfahren wurde um 1890 – 1894 entwickelt und wurde hauptsächlich in Europa angewandt. Die Anode besteht aus dicken, waagerecht liegenden Titanplatten, die mit einer Bohrung versehen sind, damit das Chlor durchgelassen wird. Die Kathode ist ein 3-5 mm dünner Film aus flüssigem Quecksilber.
Aus Natrium und Quecksilber entsteht das Amalgam NaHg, was durch Graphitstäbe gefiltert wird und so zu Natronlauge, Wasserstoff und Chlor wird.
Vorteile und Nachteile des Amalgamverfahrens:
Fazit
Am besten geeignet für die Chlor-Alkali-Elektrolyse ist das Membranverfahren. Es hat im Vergleich der drei Verfahren die niedrigste Stromdichte, eine mittlere Konzentration der Natronlauge, aber die größte Reinheit des Chlors und den geringsten Kostenaufwand. Das Amalgamverfahren besitzt einen höheren Kostenaufwand, da Quecksilber sehr umweltschädlich ist und daher auch Kosten entstehen, um es aus der Umwelt zu entfernen.