Bagaimana Membran Memisahkan Klorin dan Alkali — Prinsip Kerja Sel Elektrolisis Membran Pertukaran Ion

Garam (NaCl) dilarutkan dalam air, dan arus terus dikenakan. Di anod, gas klorin kuning-hijau dibebaskan; di katod, gas hidrogen dihasilkan, dan natrium hidroksida (NaOH) terbentuk dalam larutan. Tindak balas keseluruhan: 2NaCl + 2H₂O ⟶ 2NaOH + Cl₂↑ + H₂↑

Tindak balas ini tidak berlaku secara spontan — ia memerlukan sekurang-kurangnya 2.19 volt untuk memacunya. Semakin tinggi suhu, semakin rendah voltan minimum ini, jadi sel elektrolisis beroperasi pada 85–90°C. Tetapi suhu tidak boleh dinaikkan selama-lamanya, kerana membran yang memainkan peranan penting tidak dapat menahannya.

Cabaran sebenar elektrolisis bukanlah mengenakan arus, tetapi memisahkan produk sebaik sahaja ia dilahirkan. Jika gas klorin dan soda kaustik bertemu, ia akan segera bertindak balas kembali menjadi peluntur; jika gas klorin dan gas hidrogen bercampur, ia boleh meletup. Kemalangan besar di klor-alkali industri hampir selalu kembali kepada punca utama ini.

Sepanjang abad yang lalu, tiga pendekatan pemisahan telah dibangunkan. Yang terawal, proses merkuri, menggunakan merkuri cecair yang mengalir sebagai katod — natrium yang dilarutkan ke dalam merkuri untuk membentuk aloi cecair, yang dipam ke bilik bersebelahan untuk bertindak balas dengan air dan menghasilkan soda kaustik; klorin dan alkali tidak pernah berkongsi ruang yang sama, dengan mengorbankan ketoksikan merkuri. Proses diafragma mengapit pad asbestos berliang di antara kedua-dua elektrod, dengan air garam mengalir dari anod ke katod, menggunakan aliran untuk mengelakkan soda kaustik daripada mengalir kembali — mudah dan murah, tetapi soda kaustik telah banyak tercemar dengan garam, yang memerlukan penyejatan dan penulenan berikutnya. Proses membran pada asasnya berbeza: ia menggunakan membran polimer padat yang dipenuhi dengan cas negatif yang secara semula jadi menolak OH⁻ dan Cl⁻ yang bercas negatif, hanya membenarkan Na⁺ melaluinya.

Struktur sebuah elektrolisis membran Sel adalah sandwic: anod jaringan titanium (disalurkan dengan rutenium-iridium oksida) → membran → katod jaringan nikel. Reka bentuk "jurang sifar" moden menekan elektrod secara elastik pada membran, tanpa meninggalkan jurang — gelembung gas yang dihasilkan semasa elektrolisis akan menutupi elektrod dan meningkatkan rintangan; reka bentuk jurang sifar membolehkan gelembung keluar melalui alur di bahagian belakang elektrod, menjimatkan kuasa elektrik yang besar.

Dalam struktur berbilang lapisan membran ini, komponen paling kritikal ialah lapisan asid karboksilik yang menghadap katod, yang sangat nipis. Kumpulan asid karboksilik (–COOH) ialah asid lemah dengan pKa kira-kira 2–3. Pada bahagian anod berasid (pH 2–4), sebahagian besar kumpulan –COOH kekal sebagai molekul neutral, dengan saluran ion separuh terbuka; pada bahagian katod alkali (pH > 14), semua kumpulan –COOH bercerai menjadi –COO⁻, membentuk dinding padat cas negatif yang menyekat OH⁻ dengan kuat. Membran mengeksploitasi kecerunan pH semula jadi pada kedua-dua belah pihak — "membuka pintu" untuk pengaliran pada bahagian anod dan "menutup pintu" untuk menyekat pada bahagian katod. Membran asid sulfonik lapisan tunggal hanya mencapai kecekapan arus kira-kira 80%; dengan penambahan lapisan asid karboksilik ini, kecekapan melonjak kepada 96–97%.

Didorong oleh medan elektrik, Na⁺ berhijrah dari air garam pekat melalui membran ke dalam soda kaustik pekat. Sebaik-baiknya, bagi setiap elektron yang mengalir, satu Na⁺ melintasi membran — nisbah ini bersamaan dengan kecekapan arus. Walau bagaimanapun, kira-kira 3–4% arus masih dibawa oleh OH⁻ yang "melarikan diri" — kepekatan OH⁻ dalam katolit adalah satu trilion kali ganda daripada dalam anolit, dan daya resapan yang dipacu oleh kecerunan kepekatan adalah sangat kuat. Semasa Na⁺ melintasi membran, ia juga menyeret 3–5 molekul air: katolit dengan itu dicairkan dan memerlukan penambahan air, manakala anolit kehilangan air dan NaCl menjadi lebih pekat — pada tahap yang ekstrem, kristal garam termendak dan menggaru membran.

Voltan teori ialah 2.2V, manakala operasi sebenar adalah lebih kurang 3.0V. 0.8V tambahan terbahagi kepada: keupayaan berlebihan anod, keupayaan berlebihan katod, rintangan elektrolit, rintangan membran (sumber kehilangan terbesar), rintangan elektrod dan sentuhan, dan kesan gelembung. Apabila membran menjadi lebih nipis, voltan sel juga berkurangan dengan sewajarnya.

Keperluan membran untuk ketulenan air garam hampir ketat: jumlah kalsium dan magnesium yang memasuki sel tidak boleh melebihi 20 ppb. Ini bersamaan dengan melarutkan tidak lebih daripada 50 gram kalsium klorida dalam kolam renang standard air — melebihi jumlah ini akan meracuni membran. Kandungan kalsium dan magnesium air laut biasa adalah 200,000 kali ganda nilai ini. Oleh itu, air garam memerlukan penulenan dua peringkat: pemendakan kimia (urutan penambahan reagen tidak boleh diterbalikkan) mengurangkan kalsium dan magnesium daripada beberapa ratus ppm kepada 5 ppm; menara resin pengkelat kemudian menangkap ion yang tinggal, menjadikan jumlahnya di bawah 20 ppb. Kewaspadaan khusus diperlukan untuk iodin — jumlah surih iodin dalam garam laut, selepas pengoksidaan di anod, membentuk mendakan kekal di dalam membran, yang boleh menyebabkan kehilangan kecekapan arus sehingga 5%.

Mengendalikan sel elektrolisis adalah seperti memutarkan lima tombol yang saling berkaitan secara serentak. Suhu 85–90°C: lebih tinggi menjimatkan elektrik tetapi membran tidak dapat bertolak ansur dengannya. Ketumpatan arus 3–6 kA/m²: lebih tinggi bermaksud kapasiti yang lebih besar tetapi kehilangan rintangan yang meningkat. Air garam yang lebih pekat bermaksud kecekapan arus yang lebih tinggi tetapi berisiko menghablur yang menggaru membran. Kepekatan soda kaustik adalah kira-kira 32–35%. Tekanan sisi hidrogen mesti sentiasa lebih tinggi daripada tekanan sisi klorin, memastikan bahawa jika membran pecah, hanya hidrogen yang bocor ke sisi klorin — tidak pernah memberi peluang kepada klorin untuk memasuki sisi hidrogen dan membentuk campuran letupan. Jika tekanan sisi klorin melebihi tekanan sisi hidrogen: gas klorin akan menembusi membran pertukaran ion atau menutup dan bocor ke sisi hidrogen. Pencampuran klorin ke dalam hidrogen bukan sahaja membentuk campuran gas letupan tetapi juga menyebabkan kakisan teruk pada saluran paip dan pemampat hidrogen. Jika tekanan sisi hidrogen lebih tinggi daripada tekanan sisi klorin, walaupun berlaku kebocoran kecil, hidrogen akan meresap ke arah sisi klorin. Walaupun pencampuran hidrogen ke dalam klorin juga menimbulkan risiko letupan, sistem klorin biasanya dilengkapi dengan kemudahan dehidrogenasi dan pemantauan yang lebih komprehensif. Lebih penting lagi, di bawah prinsip reka bentuk perindustrian "Gagal-Safe", mengekalkan tekanan positif yang sedikit pada bahagian hidrogen adalah barisan pertahanan fizikal terakhir terhadap senario paling berbahaya iaitu "klorin menceroboh ke dalam sistem hidrogen."

Daripada garam kepada gas klorin, soda kaustik dan hidrogen — membran pertukaran ion, menggunakan membran polimer yang lebih nipis daripada filem pelekat, mencapai laluan tanpa halangan untuk kation dan halangan yang tidak dapat ditembusi untuk anion di bawah pengawalaturan kecerunan pH yang sangat baik. Penggunaan tenaga terendah, produk paling tulen dan paling mesra alam — tiga kelebihan ini telah menjadikan proses membran arus perdana mutlak industri klor-alkali moden.