Grundlagen der Chloralkalielektrolyse
Bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse wird Natriumchloridlösung (Sole) elektrochemisch zerlegt, wobei Chlor, Natronlauge und Wasserstoff entstehen. Ein entscheidendes Problem ist dabei, dass Chlor nicht mit der entstehenden Natronlauge oder dem Wasserstoff in Kontakt kommen darf, da sonst gefährliches Chlor-Knallgas entstehen kann.
Für die Elektrolyse ist eine Mindestspannung (Zersetzungsspannung) erforderlich, die sich aus der Zellspannung und der Überspannung zusammensetzt. Die Überspannung ist die Differenz zwischen gemessener und berechneter Spannung und hängt von Faktoren wie Elektrodenmaterial, Temperatur und Ionenkonzentration ab.
Die wichtigsten Reaktionsgleichungen der Chloralkalielektrolyse sind:
- Anode: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻ (Oxidation der Chloridionen)
- Kathode: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ (Reduktion von Wasser)
- Gesamtreaktion: 2H₂O + 2NaCl → H₂ + Cl₂ + 2NaOH
Merke: Bei der Elektrolyse werden immer die Ionen mit der geringsten Zersetzungsspannung entladen. Die ablaufenden Reaktionen kannst du durch Betrachtung der Normalpotentiale und Überspannungen der beteiligten Ionen vorhersagen.
Verfahren im Vergleich
Es gibt drei wichtige Verfahren der Chlor-Alkali-Elektrolyse: das Amalgamverfahren, das Diaphragmaverfahren und das Membranverfahren. Sie unterscheiden sich in Elektrodenmaterial, Trennmethode und Produktreinheit.
Beim Amalgamverfahren wird durch die hohe Überspannung Na⁺ statt H⁺ an der Quecksilberkathode reduziert. Es liefert sehr reine Produkte, belastet aber die Umwelt durch Quecksilber. In der EU macht es etwa 32% der Produktion aus.
Das Diaphragmaverfahren nutzt ein Asbestdiaphragma zur Trennung der Reaktionsräume. Es hat einen relativ hohen Energieverbrauch und die Produkte sind verunreinigt. In der EU beträgt sein Anteil etwa 14%.
Das umweltfreundlichste ist das Membranverfahren mit einer ionenselektiven Kationenaustauschermembran. Es produziert sehr reine Natronlauge und hat den geringsten Energieverbrauch. Mit ca. 51% Anteil ist es heute das führende Verfahren in der EU.