Процесс Кастнера-Кельнера — это метод электролиза водного раствора хлорида щелочи (обычно раствора хлорида натрия ) для получения соответствующего гидроксида щелочи , [1] изобретенный американцем Гамильтоном Кастнером и австрийцем Карлом Кельнером в 1890-х годах. [2] [ 3] Это тип хлорщелочного процесса , но в этой роли он постепенно заменяется мембранным электролизом, который имеет более низкие энергетические затраты и меньше экологических проблем. [4]
Первый патент на электролиз рассола был выдан в Англии в 1851 году Чарльзу Уотту. Однако его процесс не был экономически целесообразным методом получения гидроксида натрия, поскольку он не мог предотвратить реакцию хлора, образующегося в рассоле, с другими его компонентами. Американский химик и инженер Гамильтон Кастнер решил проблему смешивания, изобретя ртутный элемент, и получил патент США в 1894 году. [5] Австрийский химик Карл Кельнер пришел к похожему решению примерно в то же время. Чтобы избежать судебной тяжбы, они стали партнерами в 1895 году, основав компанию Castner-Kellner Alkali Company, которая построила заводы, использующие этот процесс по всей Европе. Процесс с использованием ртутных элементов используется и по сей день. [6] Современные работы заводов с использованием ртутных элементов подвергаются критике за выбросы ртути в окружающую среду [7], что в некоторых случаях приводит к серьезному отравлению ртутью ( как это произошло в Японии ). Из-за этих опасений заводы с использованием ртутных элементов постепенно выводятся из эксплуатации, и прилагаются постоянные усилия по сокращению выбросов ртути с существующих заводов. [8]
Показанный аппарат разделен на два типа ячеек, разделенных сланцевыми стенками. Первый тип, показанный справа и слева на схеме, использует электролит из раствора хлорида натрия, графитовый анод (A) и ртутный катод (M). Другой тип ячеек, показанный в центре схемы, использует электролит из раствора гидроксида натрия , ртутный анод (M) и железный катод (D). Ртутный электрод является общим для двух ячеек. Это достигается за счет того, что стенки, разделяющие ячейки, опускаются ниже уровня электролитов, но при этом позволяют ртути течь под ними. [9]
Реакция на аноде (А) следующая:
Газообразный хлор , который получается, выходит в верхней части внешних ячеек, где он собирается как побочный продукт процесса. Реакция на ртутном катоде во внешних ячейках
Образующийся в результате этой реакции металлический натрий растворяется в ртути, образуя амальгаму . Ртуть проводит ток от внешних ячеек к центральной ячейке. Кроме того, качающийся механизм (B, показанный точкой опоры слева и вращающимся эксцентриком справа) перемешивает ртуть, чтобы перенести растворенный металлический натрий из внешних ячеек в центральную ячейку.
Анодная реакция в центральной ячейке происходит на границе раздела ртути и раствора гидроксида натрия.
Наконец, на железном катоде (D) центральной ячейки реакция имеет вид
Чистый эффект заключается в том, что концентрация хлорида натрия во внешних ячейках уменьшается, а концентрация гидроксида натрия в центральной ячейке увеличивается. По мере продолжения процесса часть раствора гидроксида натрия извлекается из центральной ячейки в качестве выходного продукта и заменяется водой. Хлорид натрия добавляется во внешние ячейки для замены того, что было электролизовано.