Electrolyse a Membrane

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2.2

Comment fabrique-t-on le chlore? Techniques dlectrolyse et coproduits

Le chlore est produit suivant trois mthodes diffrentes. Cette production cognre de la soude caustique et de lhydrogne. Lindustrie sefforce de minimiser limpact des processus de production sur lenvironnement, la scurit et la sant. Le chlore est produit par lectrolyse1 de saumure purifie et concentre, une solution de chlorure de sodium (du sel de cuisine NaCl dans de leau). Outre du chlore rcupr sous forme gazeuse, l'lectrolyse produit de la soude caustique (ou lessive de soude - NaOH) et de l'hydrogne (H2). Sel58,5 g

+

Eau18 g

=

Chlore35,5 g

+

Soude caustique40 g

+

Hydrogne1g

Par mesure de scurit, chaque lectrolyse est quipe dune installation capable de transformer le chlore hautement concentr en un hypochlorite de faible concentration. Trois techniques diffrentes existent ce jour: le procd lamalgame de mercure, aussi appel l'lectrolyse mercure; l'lectrolyse diaphragme; l'lectrolyse membrane.

2.2.1

Llectrolyse mercure

Il sagit de la plus ancienne technique industrielle. La premire lectrolyse a t construite en 1888. Cette technique s'est surtout dveloppe en Europe ; elle couvre 46% de la capacit de production de chlore actuelle. Les tapes sont les suivantes:

lectrolyse : procd de sparation utilisant le passage d'un courant lectrique au travers d'un lectrolyte {un compos chimique ltat de solution comme p. ex. une solution de sel ordinaire (NaCl + H2O)}, forant les ions (ex. CI-, Na+, OH-, H+) migrer vers les lectrodes (anode et cathode), sparant ainsi les lments de base de la solution. Lors du processus industriel, on utilise une tension de 4 4,5 volts avec une intensit de courant gale 250.000 ampres. livre blanc du chlore novembre 2006 2.2-1

1

la cellule lectrolyse comporte une anode en titane. Celle-ci est dispose au-dessus d'une cathode mobile de mercure coulant sur le fond de la cellule; sous l'effet du courant lectrique continu dans une solution de chlorure de sodium (NaCl), du chlore gazeux (Cl2) se dgage de l'anode. Ce gaz est trs chaud (93,3C) et humide. Cest pourquoi il est refroidi, sch et ensuite liqufi et rfrigr. On obtient de la sorte du chlore que lon peut stocker et transporter; du sodium mtallique (Na) apparat dans la cathode de mercure et sy dissout pour former un amalgame. Un amalgame est un alliage de mercure avec un autre mtal. Cet amalgame est extrait de la cellule et envoy dans un racteur spar o il ragit avec de l'eau dminralise (H2O) pour donner de l'hydrogne (H2) et une solution de soude caustique (NaOH) 50%. Ainsi, le mercure est rgnr et peut tre renvoy dans l'lectrolyseur. La saumure puise, sortant de l'lectrolyseur, est successivement dchlore, concentre, purifie et nouveau sature en sel et recycle. Cette raction en deux phases permet d'obtenir des produits finis trs purs. Vous trouverez au chapitre 2.3 de plus amples informations sur lincidence de llectrolyse mercure sur lenvironnement et la sant.NaCl Saumure puise Saumure sature PREPARATION SAUMURE Cl2 +

Amalgame Hg CELLULE DELECTROLYSE H2 Eau NaOH 50%

CELLULE DE DECOMPOSITION

livre blanc du chlore novembre 2006

2.2-2

2.2.2

Llectrolyse diaphragme

L'lectrolyse diaphragme s'est surtout dveloppe aux Etats-Unis. En Europe, ce procd couvre 18% de la production de chlore. Le procd diaphragme est pourvu d'une cellule comportant un diaphragme en amiante. Le diaphragme empche le chlore de se mlanger lhydrogne et la soude caustique. Il est plac sur un treillis en acier agissant telle une cathode. L'hydrogne se dgage dans le compartiment cathodique et de la soude caustique apparat sous forme d'une solution de 10 12%, dans une saumure. Cette saumure contient encore de 10 15% de sel non transform. Le dsavantage est quil est ncessaire, pour obtenir une soude caustique de qualit suffisante, d'vaporer l'eau et de prcipiter le sel. Ceci est trs coteux en investissement et en nergie et ne permet pas d'obtenir une soude caustique suffisamment pure pour toutes les applications. En effet, celle-ci contient encore environ 1% de sel. Des tudes sont en cours pour remplacer le diaphragme en amiante par un diaphragme en matire synthtique.

+Cl2 Na+

H2

NaOH 12% + saumure puise

Anode en titane

Cathode en acier

Diaphragme amiante

Saumure sature

2.2.3

Llectrolyse membrane

Cette technique sest dveloppe dans les annes '70, elle ressemble llectrolyse diaphragme. La cellule est divise en deux compartiments par une membrane poreuse de trs grande qualit. Le tout fonctionne comme un changeur d'ions : la membrane consiste en un squelette de polymre perfluor des deux cts. La dessus sont greffs les deux groupes dchangeurs de cations : le sulfonique lanode, le carboxylique la cathode. Le compartiment anodique est aliment par la saumure purifie et sature en chlorure de sodium. Le chlore se libre lanode,livre blanc du chlore novembre 2006 2.2-3

lhydrogne la cathode. Les ions de sodium se dplacent au moyen de la membrane vers le compartiment cathodique et ragissent en prsence de leau pour former la lessive de soude. Par vaporation, la concentration finale est augmente et passe de 32% 50%. Lavantage du procd membrane est double : une consommation dnergie basse voisine de celle des cellules diaphragme; la production dune soude caustique trs pure. Ce procd est utilis pour la production de 33% du chlore en Europe.+ Cl2 Na+ Saumure puise NaOH 32%

H2

Anode en titane

Cathode en nickel

Membrane poreuse

Saumure sature

Eau dminralise

2.2.4

Cathodes dpolarises loxygne

Des essais ont rcemment t mens avec des cathodes dpolarises loxygne. En rduisant loxygne au lieu de produire de lhydrogne, on pourrait conomiser 30% supplmentaires dnergie. Cette technique prometteuse devrait pouvoir tre applique sans trop de problmes aux installations existantes. Pour lheure, elle reprsente 3% de la production totale.

2.2.5

Quadvient-il des co-produits de llectrolyse?

Lors de la production de chlore, on obtient automatiquement aussi les co-produits: lhydroxyde de sodium et lhydrogne.

livre blanc du chlore novembre 2006

2.2-4

Lhydroxyde de sodium ou lessive de soude possde, tout comme le chlore, un large champ dapplication. Elle intervient dans la fabrication de pte papier, savon et fibres textiles. Elle sert la neutralisation des eaux acides dans les stations d'puration, au nettoyage des bouteilles boissons et des citernes, l'limination des colorants lors du recyclage du papier, au lavage des gaz de fumes des centrales thermiques, la fabrication de l'aluminium, etc. (Pour plus dinformations, voir chapitre 2.5 : Soude caustique.) Lors de la production de chlore, on obtient de l'hydrogne, lequel sera rutilis comme combustible. On peut dire que lhydrogne sera lun des vecteurs nergtiques importants dans le futur, tout comme llectricit la fin du 19me sicle. Vecteur nergtique : oui, mais non source dnergie puisquune autre source dnergie est ncessaire le produire. Comment procde-t-on ? Le principe de la pile combustibles est simple : gnrer de llectricit en convertissant lnergie libre lors de la raction chimique entre loxygne (de lair) et lhydrogne. Une pile combustion produit donc de llectricit et de leau pure. La combustion de lhydrogne ne produit aucun effet secondaire indsirable : aucun gaz acidifiant, aucun gaz effet de serre, aucune fume, aucune substance juste de la vapeur deau. En outre, lhydrogne est une matire premire inpuisable. Il pourrait bien devenir le combustible pour les moteurs des vhicules propres de demain et pour le chauffage. Les vaisseaux spatiaux amricains marchent depuis pas mal de temps lhydrogne. Il existe dj des autobus et des voitures qui utilisent lhydrogne comme source dnergie pour leurs moteurs lectriques presque insonores et nonpolluants. Ils peuvent faire le plein des stations spcialement amnages cet effet et lhydrogne doit tre stock dans des citernes sous une pression de 250 bars. Les piles combustions remplaceront lavenir les piles dans les PC portables, les GSM, les vidos et autres appareils. Outre son emploi comme combustible, l'hydrogne est aussi utilis dans les industries alimentaire (margarine) et lectronique ("puces"), dans lindustrie ptrolire (hydrognation de produits intermdiaires importants, comme lammoniac) et dans de nombreuses applications de la chimie de synthse (par exemple: peroxyde d'hydrogne, aniline, production de matires plastiques, etc.) ainsi que dans la fabrication du verre.

livre blanc du chlore novembre 2006

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