La electrólisis es un proceso que utiliza una corriente eléctrica para provocar una reacción química no espontánea. El funcionamiento de la electrólisis implica varios pasos. Primero, se prepara una celda electrolítica que contiene un electrolito, que puede ser una solución acuosa o una sal fundida. Este movimiento de iones y la transferencia de electrones provocan la descomposición del compuesto original en sus elementos constituyentes.
Componentes Esenciales y Tipos de Electrólisis
Para llevar a cabo la electrólisis, se requieren varios componentes clave:
- Electrolito: es la sustancia que se disocia en iones y habilita el paso de la corriente eléctrica.
- Electrodos: son los conductores que introducen la corriente eléctrica en el electrolito.
- Fuente de corriente eléctrica: proporciona la energía necesaria para llevar a cabo la reacción no espontánea.
Los dos tipos principales de electrólisis son la de sales fundidas y la acuosa. La electrólisis de sales fundidas se realiza a altas temperaturas, donde las sales inorgánicas se encuentran en estado líquido. En la electrólisis acuosa, se emplea una solución acuosa de un electrolito.
La Electrólisis Cloro-Álcali: Un Proceso Industrial Indispensable
En el centro de la industria química moderna se encuentra la electrólisis de cloro-álcali, un proceso indispensable mediante el cual se obtienen materias primas esenciales para diversas aplicaciones. La electrólisis cloroalcalina es un proceso técnico importante utilizado para la producción de productos químicos básicos como cloro, hidrógeno e hidróxido de sodio. Mediante la aplicación de una corriente continua eléctrica, en la electrólisis cloro-álcali se realiza una conversión separativa de la solución de cloruro de sodio en cloro elemental e hidróxido de sodio; al mismo tiempo se genera hidrógeno. La electrólisis cloro-álcali es un proceso en el cual el cloruro de sodio (sal de mesa) se convierte en cloro, hidrógeno y soda cáustica (hidróxido de sodio) bajo la influencia de energía eléctrica.
Principios y Reacciones de la Electrólisis de NaCl Acuoso
Se utiliza una solución acuosa de cloruro de sodio (sal) como electrolito. Se aplica un voltaje eléctrico a los electrodos, que están hechos de materiales especiales. Cuando se electrolizan soluciones acuosas de compuestos iónicos, las semirreacciones anódica y catódica pueden implicar la electrólisis de especies de agua (H2O, H+, OH-) o de especies de soluto (los cationes y aniones del compuesto). Los potenciales de electrodo estándar (reducción) de estas dos semirreacciones indican que el agua puede oxidarse a un potencial menos negativo / más positivo (-1,229 V) que el ion de cloruro (-1,358 V). La comparación de estos potenciales de semirreacción estándar sugiere que la reducción del ion de hidrógeno está favorecida termodinámicamente. Sin embargo, en una solución acuosa neutra de cloruro de sodio, la concentración de ion de hidrógeno está muy por debajo del valor del estado estándar de 1 M (aproximadamente 10-7 M), por lo que la reacción catódica observada es en realidad la reducción del agua.
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Durante este proceso, migran iones de sodio (Na+) hacia el cátodo, que está cargado negativamente, y iones de cloruro (Cl-) al ánodo, que está cargado positivamente. En el ánodo ocurre la oxidación de los iones cloruro, liberando cloro. En el cátodo, el agua se reduce a hidrógeno e iones hidróxido. Estos iones hidróxido reaccionan con los iones de sodio para formar hidróxido de sodio. La electrólisis del cloruro de sodio (salmuera) se descompone en cloro, hidrógeno y soda cáustica mediante la siguiente reacción:
2NaCl(aq)+2H2O(l)→2NaOH(aq)+H2(g)+Cl2(g)
Variantes Industriales del Proceso Cloro-Álcali
Existen varias variantes de este proceso. Una de ellas es el proceso de amalgama, en el que en el cátodo se forma una amalgama de sodio que luego se procesa en una etapa separada para obtener hidróxido de sodio, hidrógeno y mercurio. Otras variantes incluyen:
- Proceso de Diafragma: En este proceso, se utiliza un diafragma poroso (pared divisoria) entre el ánodo y el cátodo. Permite el intercambio de iones, pero evita la mezcla de cloro y la solución de hidróxido de sodio.
- Proceso de Membrana: Este proceso utiliza una membrana especial permeable a iones que bloquea los iones de cloro, pero permite el paso de los iones de sodio. La membrana y el diafragma representan un alto factor de costo en ambos procesos.
Preparación de la Salmuera y Tratamiento de los Productos
Purificación de la Salmuera
El producto de partida es cloruro de sodio (NaCl), que se obtiene evaporando el agua de mar, minando o excavando depósitos de sal (cavernas). La salmuera bruta contiene impurezas y sales de calcio o magnesio, que durante la electrólisis pueden obstruir los finos poros de la membrana o de la membrana y, por tanto, reducir considerablemente su vida útil. Por este motivo, estas impurezas se precipitan en recipientes agitadores (recipientes de disolución) añadiendo sosa cáustica. La pureza de la concentración de salmuera es de especial importancia para la posterior electrólisis.
Tratamiento de los Productos Obtenidos
Los productos de la electrólisis cloro-álcali requieren un tratamiento adicional para su comercialización y uso industrial.
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- Concentración de Hidróxido de Sodio: La sosa cáustica (NaOH) vendible generalmente tiene una concentración entre 45% en peso y 50% en peso. En el proceso de diafragma, además de NaOH, también hay NaCl en la solución; la sal excedente en la sosa cáustica se precipita de forma cristalina en el evaporador durante la evaporación.
- Secado del Cloro Gaseoso: El secado del gas cloro es un paso esencial en la producción de cloro. Este proceso implica la eliminación de humedad del gas cloro para hacerlo adecuado para aplicaciones industriales. El secado se realiza mediante métodos físicos como el enfriamiento y la condensación del gas o mediante el uso de agentes desecantes como ácido sulfúrico concentrado o tamices moleculares. Estas técnicas aseguran que el cloro esté en una forma pura y seca. El cloro gaseoso producido en la zona del ánodo del electrolizador debe liberarse de su contenido de agua antes de su uso posterior, ya que su corrosividad aumenta cuando el contenido de humedad supera las 30 ppm. La eficacia de este proceso de secado influye significativamente en la productividad y calidad del gas.
- Síntesis de Ácido Clorhídrico: El cloro gaseoso producido en el ánodo del electrolizador y el hidrógeno suministrado forman los materiales de partida para la síntesis de ácido clorhídrico. Para ello, ambos gases se introducen en un quemador y allí reaccionan para formar cloruro de hidrógeno. El gas HCl formado fluye desde la cámara de combustión al absorbente isotérmico de película descendente integrado. Monitoreo continuo de la concentración de ácido clorhídrico (20-40% en peso).
Control y Medición en la Electrólisis Cloro-Álcali con Tecnología LiquiSonic®
La LiquiSonic® tecnología de medición se puede utilizar ventajosamente en las diferentes etapas del proceso de la electrólisis cloroalcalina. El principio de medición se basa en la determinación de la velocidad del sonido en líquidos. La distancia (d) entre el emisor y el receptor de ultrasonidos es constante por diseño, de modo que la velocidad del sonido (v) se puede calcular midiendo el tiempo de tránsito (t) (v = d / t). La medición de la velocidad del sonido es independiente de la transparencia del líquido y se caracteriza por su alta precisión de medición, reproducibilidad y estabilidad. Además de la medición de la velocidad del sonido, en el LiquiSonic® sensor se integra una medición de temperatura de alta precisión y rápida para la compensación de temperatura. El LiquiSonic® sensor mide continuamente tanto la concentración como la temperatura en el rango predefinido.
Los sistemas LiquiSonic® ofrecen soluciones avanzadas para el monitoreo y control del proceso:
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- LiquiSonic® 40: Permite la determinación simultánea de dos concentraciones en una mezcla. Para ello, se combina una segunda magnitud física con la velocidad del sonido.
La tecnología LiquiSonic® es crucial para la optimización del proceso:
- La LiquiSonic® tecnología de medición se utiliza para la determinación precisa de la concentración del catolito, para identificar posibles ineficiencias del electrolizador y contrarrestarlas. Dependiendo del proceso utilizado, el catolito es una solución de NaOH (proceso de membrana) o una solución de NaOH-NaCl (proceso de diafragma).
- La LiquiSonic® tecnología de medición determina continuamente en todo momento la concentración de la sosa cáustica después del evaporador.
- Con la ayuda del LiquiSonic® la concentración de ácido clorhídrico se controla continuamente mediante tecnología de medición.
- El LiquiSonic® Sistema de medición garantiza en todo momento una determinación altamente precisa de la concentración de salmuera.
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