תהליך כלור-אלקלי

תהליך כלור-אלקלי (באנגלית: chloralkali process) הוא תהליך תעשייתי לאלקטרוליזה של תמיסת נתרן כלורי (NaCl, מלח בישול). בתהליך זה מייצרים כלור (Cl2), מימן (H2) ונתרן הידרוקסידי (NaOH) שהם חומרי מוצא חשובים בתעשייה הכימית.

חשיבות תעשייתית 
תהליך כלור-אלקלי הוא השיטה הכמעט בלעדית לייצור של כלור ונתרן הידרוקסידי. היא אחראית לכ-95% מייצור הכלור העולמי, וכ-99.5% מייצור הנתרן ההידרוקסידי. המימן המיוצר בשיטה זו מהווה כ-4% מהייצור העולמי.

בשנת 2015 יוצרו בתהליך זה כ-65 מיליון טון כלור.

תוצרי התהליך הכלור-אלקלי

אלקטרוכימיה 
התהליך הכלור-אלקלי מבוסס על תגובה אלקטרוכימית בה מים עוברים תהליך חיזור בקתודה לקבלת יוני הידרוקסיד (-OH), וגז מימן (H2):

 

בנוסף, יוני כלור מתחמצנים באנודה לקבלת גז כלור (Cl2):

כיוון שמקור יוני הכלור הוא בתמיסת ה-NaCl, ניתן לרשום את תגובת האנודה, בצורה הבאה:

התגובה הכוללת בתהליך היא:

יש לשמור על הפרדה בין גז המימן לגז הכלור למנוע תגובת יצירת של חומצת מימן כלורי וכן למנוע מגע בין גז כלור לנתרן הידרוקסיד למנוע תגובת יצירה של נתרן תת-כלורי (NaOCl):

נגזרות של התהליך 
באופן מסורתי, תהליך הכלור-אלקלי עושה שימוש בנתרן כלורי (NaCl) כחומר המוצא, על כן, התוצר העיקרי המתקבל הוא נתרן הידרוקסידי (NaOH). אולם, ניתן להחליף את חומר המוצא במלחים אחרים ולקבל תרכובות אחרות, לדוגמה:

הערות: שני התהליכים האחרונים אינם מיושמים בקנה מידה גדול, בשל בעיות הקשורות למסיסות הנמוכה של הבסיסים.

טכנולוגיות עיקריות 

התהליך הכלור-אלקלי מיושם ברחבי העולם, בשלוש טכנולוגיות עיקריות: ממברנה, מחיצה ואמלגמה. הסבר על הטכנולוגיות השונות, וטבלה השוואתית מופיעה להלן:

שיטת הממברנה (Membrane cell) 
בטכנולוגיה זו מוזרמת תמיסה מרוכזת של מלח בישול לתא המחולק ל-2 חלקים המופרדים באמצעות קרום שמאפשר מעבר יונים חיוביים אך לא שליליים. תמיסת המלח מוזרמת לתא האנודה שם נוצר גז הכלור על אלקטרודת טיטניום. הגז המופק באנודה מעורב בחמצן הנוצר בתגובה  כדי לנקות את התוצר מנזלים את הכלור באמצעות דחיסה בעוד החמצן נשאר גז.

בתא הקתודה נוצר על אלקטרודת פלדה גז מימן ותמיסה של NaOH בריכוז 30% שיוצאת מהתא, כדי לקבל תוצר בריכוז של 50% מנדפים חלק מהמים.

יתרונה של שיטה זו היא צריכת אנרגיה נמוכה ביחס לשיטות האחרות ובהיותה ידידותית לסביבה (ללא שימוש באזבסט או כספית); חסרונה בצורך להשתמש בתמיסת מלח נקייה מאוד כחומר גלם ואיכות נמוכה של הכלור המתקבל.

שיטת המחיצה (Diaphragm cell) 
בשיטה זו תא התגובה מופרד באמצעות מחיצת אזבסט או טפלון המאפשרת מעבר יונים ומונעת מעבר גז כלור מתא האנודה לתא הקתודה. כדי למנוע מעבר של תמיסת נתרן הידרוקסידי מחצי תא הקתודה לחצי תא האנודה (ותגובה לא רצויה ליצירת נתרן תת-כלורי -OCl) יש לשמור על זרימה רצופה של הנוזל בתא ומפלס הנוזל בחצי תא האנודה גבוה מבחצי תא הקתודה.

יתרונה של שיטה זו היא ביכולת להשתמש בתמיסת מלח בדרגת ניקיון נמוכה. חסרונה הוא זיהום תמיסת הנתרן ההידרוקסידי ב-NaCl, בצורך בתהליך נוסף להגדיל ריכוז התוצר והשימוש באזבסט.

שיטת אמלגמה (גם תא כספית, Mercury cell) 
בטכנולוגיה זו שפותחה בשנות ה-90 של המאה ה-19. הקתודה היא כספית נוזלית בקרקעית המיכל ובה מתבצעת תגובת חיזור יוני נתרן לנתרן מתכתי שיוצר אמלגם עם הכספית:

 

באנודות נוצר גז כלור היוצא מהמערכת כתוצר.

את הכספית בה מומס הנתרן מזרימים לתא שני בה היא נחשפת למים ומתרחשת התגובה:

 

יתרונה של שיטה זו, שהייתה הטכנולוגיה הראשונה בשימוש הוא בריכוז הגבוה של תמיסת הנתרן ההידרוקסידי המתקבלת כך שאין צורך בשלב נוסף של נידוף מים ובניקיון התוצר (מעט תגובה צדדית לקבלת נתרן תת-כלורי); חסרונה הוא השימוש בכספית רעילה שעלולה להתנדף או לזהם את התוצרים, כ-0.9 גרם כספית מתנדפת לסביבה לכל טון כלור המיוצר בשיטה זו.

קישורים חיצוניים

 תהליך כלור-אלקלי, החברה המלכותית לכימיה
 התעשייה הכלור-אלקלית בבריטניה, סרט תיעודי קצר

הערות שוליים

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
כלור-אלקלי
כימיה אי-אורגנית
אלקטרוכימיה
כלור