Grundlagen der Chloralkalielektrolyse
Bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse wird NaCl-Lösung (Sole) elektrolytisch gespalten, wobei Chlor, Natronlauge und Wasserstoff als Nebenprodukt entstehen. Ein wichtiges Prinzip dabei: Das Chlor darf nicht mit der Natronlauge oder dem Wasserstoff in Kontakt kommen, da sonst unerwünschte Reaktionen wie Chlor-Knallgas entstehen würden.
Für die Elektrolyse benötigt man eine bestimmte Zersetzungsspannung, die sich aus der Zellspannung plus der Überspannung zusammensetzt. Die Überspannung (η) ist die Differenz zwischen der gemessenen (Uz) und der berechneten Spannung (Ux) und wird von Faktoren wie Elektrodenmaterial, Temperatur und Konzentration beeinflusst.
Es gibt drei wichtige Verfahren der Chloralkalielektrolyse: das Diaphragmaverfahren, das Membranverfahren und das Amalgamverfahren. Bei den ersten beiden wird an der Kathode H⁺ zu H₂ entladen (da die Überspannung geringer ist als bei Na⁺), beim Amalgamverfahren wird Na⁺ zu Na reduziert.
💡 Merke: Bei der Elektrolyse werden immer die Ionen mit der geringsten Zersetzungsspannung entladen. Beim Diaphragma- und Membranverfahren sind das Cl⁻ und H₂O, beim Amalgamverfahren Cl⁻ und Na⁺.
Die Reaktionsgleichung der Chloralkalielektrolyse lautet: 2H₂O + 2NaCl → H₂ + Cl₂ + 2NaOH. An der Anode wird Cl⁻ zu Cl₂ oxidiert, während an der Kathode H₃O⁺ zu H₂ reduziert wird (außer beim Amalgamverfahren, wo Na⁺ zu Na reduziert wird).
Die drei Verfahren unterscheiden sich in ihren Vor- und Nachteilen: Das Membranverfahren ist am umweltfreundlichsten und energieeffizientesten (ca. 51% in der EU), während das Diaphragmaverfahren (ca. 14%) asbesthaltiges Material verwendet und das Amalgamverfahren (ca. 32%) mit Quecksilber arbeitet. Das Amalgamverfahren liefert sehr reines Chlor und Natronlauge, während die Produkte beim Diaphragmaverfahren mehr Verunreinigungen aufweisen.