UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA QUÍMICA, AMBIENTAL Y ALIMENTOS
LABORATORIO ELECTROQUIMICA INDUSTRIAL
OBTENCIÓN DE HIDRÓXIDO DE SODIO
Estudiante: Univ. Quenallata Mayta Roxana
Docente:
Ing. Gabriel Mejía M.
El hidróxido de sodio (NaOH) o hidróxido sódico, también conocido como sosa cáustica o soda cáustica, es un hidróxido cáustico usado en la industria (principalmente como una base química) en la fabricación de papel, tejidos, y detergentes. Además es usado en la Industria Petrolera en la elaboración de Lodos de Perforación base Agua. A temperatura ambiente, el hidróxido de sodio es un sólido blanco cristalino sin olor que absorbe humedad del aire (higroscópico). Es una sustancia manufacturada. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un ácido libera una gran cantidad de calor que puede ser suficiente como para encender materiales combustibles. El hidróxido de sodio es muy corrosivo. Generalmente se usa en forma sólida o como una solución de 50%. El hidróxido de sodio se usa para fabricar jabones, crayón, papel, explosivos, pinturas y productos de petróleo. También se usa en el procesamiento de textiles de algodón, lavandería y blanqueado, revestimiento de óxidos, galvanoplastia y extracción electrolítica. Se encuentra comúnmente en limpiadores de desagües y hornos.
1. Métodos electroquímicos : Se hace pasar una corriente electrónica a través de una solución de cloruro sódico, por lo que se desprende cloro en la parte del ánodo; el ion Cl-, se desprende de un electrón, lo que hace que se oxide debido al cloro en estado gaseoso. Si el electrodo utilizado se encuentra fabricado de carbón no reaccionante, éste se disolveré en H20 hasta llegar a la formación de una solución que se encuentre saturada para posteriormente escapar en estado gas. Por otro lado, en el extremo catódico, se liberará hidrógeno, pasando a la formación de la sosa cáustica. Éste es el proceso de producción electrolítica más importante en países desarrollados:
El voltaje teórico necesario para la electrolisis es 2.19 V. En realidad, se utiliza un voltaje mayor debido a la resistencia interna de la célula y a los sobrepotenciales en los electrodos. Usos del Cl2:
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Potabilización de aguas Cloruro de vinilo (VCM), monómero del PVC Producción de TiO2 Blanqueo de celulosa en la industria del papel
Usos del NaOH:
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Producción de aceites, jabones y detergentes Regeneración de resinas de intercambio iónico Blanqueo de celulosa en la industria del papel
Existen tres tecnologías, que difieren en el tipo de celda empleada: Celdas de mercurio Celdas de diafragma Celdas de membrana Los tres comparten la misma reacción anódica:
La materia prima es una disolución de NaCl a pH < 4 para evitar la hidrólisis del Cl 2, es decir para evitar que ocurra esto:
En los 3 procesos la reacción anódica (síntesis de Cl 2) se enfrenta a una reacción competitiva que está termodinámicamente favorecida: Apuntes de Electroquímica OCW
Se evita por electrocatálisis, empleando ánodos de Ti / RuO2 para los que el sobrepotencial correspondiente la reacción anterior se maximiza mientras que el de formación de Cl2 se minimiza. A veces como ánodo también se utiliza grafito por las mismas razones.
Celda de hg (67% de la producción mundial):
El fundamento de este método reside en el hecho de que el sobrepotencial para la reducción del agua es muy elevado cuando se emplea un cátodo de mercurio:
Por lo tanto la reacción que tiene lugar en el cátodo es:
El cátodo es un lecho de Hg ligeramente inclinado La amalgama Hg (Na) (aleación Hg‐Na) se va concentrando a lo largo de la caída
La amalgama accede a un reactor secundario que contiene bolas de acero, sobre cuya superficie tiene lugar la reducción del H2O para obtener NaOH:
Obteniendo NaOH en otro compartimento, evitamos que suba el pH y por tanto, la pérdida de Cl2 por hidrólisis, con este procedimiento se obtiene una disolución de NaOH al 50% cuyo potencial de trabajo es de aproximadamente 4.5 V. Esta técnica industrial requiere un tratamiento específico de aguas residuales debido a la alta toxicidad del Hg.
Celda de diafragma (27% de la producción mundial)
La celda de diafragma tiene un separador constituido de asbesto con varios polímeros que mejoran el funcionamiento del separador. La reacción en los electrodos genera cloro e hidróxido de sodio directamente.
Los asbestos son depositados directamente en una hoja de gasa que actúa como cátodo; el ánodo es un lugar cerrado del diafragma y el 30% de la salmuera pasa en el compartimiento del ánodo; el cloro es formado en el ánodo; El H2 gas y el NaOH son formados en el separador puesto (cátodo). Al utilizar los asbestos en los diafragmas se tienen algunos problemas como: Es una barrera física por lo que todos los iones de las especies son capaces de pasar a través de él, lo cual produce un gradiente de concentración. El Na es transportado rápidamente a través del diafragma del ánodo al cátodo por difusión, convección y migración, pero casi igual cantidad del cloro acompaña a los iones sodio. La concentración del ion hidróxido formado en el cátodo debe estar restringida a menos de 1 2% lo cual significa que debemos introducir más pasos en el proceso para obtener una solución al 50% y aun así la sosa contiene 1 % de Cl lo cual es inaceptable para muchas aplicaciones, ya que incrementa los problemas de corrosión en cualquier solución de NaOH que contenga metales, sin embargo las plantas de diafragma son muy atractivas si el NaOH puede ser utilizado aún con 10% de Cl. La caída del IR es considerable en diafragma. El potencial reversible de la celda es de - 2.2 V; estas celdas operan en un rango de - 3.2V a -3.8 V, el voltaje adicional está asociado a los separadores de asbesto. En estas celdas el IR disminuye conforme el tiempo porque el depósito de hidróxido de calcio e hidróxido de magnesio en los poros del diafragma minimizan dicho efecto, por lo que la salmuera que se utiliza debe estar perfectamente purificada. El proceso de purificación de la salmuera debe ser más riguroso que el de la celda de mercurio. Los asbestos no son identificados y su tiempo de vida es un factor determinante en el diseño de la celda. El diafragma debe ser reemplazado a los pocos meses y el diseño de la celda debe permitir el lavado de viejos asbestos y debe permitir reemplazar esto por nuevos. Recientemente los diafragmas han sido mejorados con la adición de varios polímeros en el asbesto. La reacción catódica es:
El cátodo es de Ni por tener un valor bajo de sobrepotencial para la obtención de H 2, además el Cl2 y NaOH se producen en el mismo reactor. El potencial a aplicar es inferior al aplicado en la celda de Hg, por lo que el coste eléctrico de la obtención de Cl 2 y NaOH es inferior al del proceso en celda de Hg. No requieren procesos de purificación de aguas y fangos residuales. Como la reacción catódica aumenta el pH, favorece la hidrólisis del Cl 2 Para evitarla, las especies Cl2 y –OH deben separarse mediante el uso de: un separador físico: Diafragma - un separador selectivo: Membrana
Celda de membrana (6% de la producción mundial)
Las reacciones en el electrodo son las mismas que se llevan a cabo en la celda del diafragma, con la diferencia de que ahora el separador es una membrana permeable (catión) generalmente hecha con un polímero fluorocarbonado. La primera tecnología de celda de membrana fue basta 1970 cuando se estaban conociendo las propiedades esenciales de las membranas perfluorosulfónicas en las celdas de cloro-sosa. Dada la habilidad de la membrana de discriminar entre aniones y cationes pueden ser separados los iones de sodio y protones, produciéndose directamente en la celda NaOH al 40% lográndose por evaporación obtener 50% de NaOH libre de Cloro. La membrana está diseñada para no permitir el paso del Cl(-) y OH(-). La contaminación de la sosa por el cloro es baja. Esta celda puede ser operada a altas densidades de corriente, encontrándose el valor óptimo entre 0.25 a.40 A/cm-2. La celda de membrana ha coincidido con el rápido incremento de los costos de energía, lo cual es de importancia en el consumo de energía. Afortunadamente, una buena catálisis se lleva a cabo por medio de las reacciones en los electrodos. La resistencia de la membrana es también baja por lo que utiliza menos energía. Existe una celda llamada cero hueco en la cual los dos electrodos están en contacto cada una al lado opuesto de la membrana. Los compartimientos del ánodo y el cátodo son alimentados con 25% de salmuera y agua respectivamente respectivamente. Existen diferentes tipos de celda: Un cuarto de celdas normalmente contiene de 50 a 100 celdas las cuales son capaces de producir más de 10000 ton de cloro por año. El voltaje puede ser menor a 2.7V; la temperatura común es de 90°C y la salmuera debe estar perfectamente purificada para evitar problemas tanto en el ánodo como en la salmuera, es común incluir un ion extra para precipitar las impurezas. En condiciones optimas el tiempo de vida de la membrana es de poco más de 3 años, los electrodos tienen una vida más larga. En algunos países (Japón) la tecnología del Hg está prohibida y en muchos otros está siendo sustituida lentamente por la tecnología de membrana que, siendo más cara, no produce contaminación por metales pesados.
2. Métodos no electroquímicos En su mayor parte la sosa cáustica y la lejía de sosa se obtienen en la electrólisis cloro- álcali. Sin embargo, se obtiene una pequeña parte por caustificación de Carbonato de Sodio. Se calienta una solución de Carbonato de Sodio con la cantidad correspondiente de cal apagada (Hidróxido de Calcio) así precipita el Carbonato de Calcio insoluble y en la solución queda Hidróxido de Sodio.
MÉTODO LE BLANC: 1- A partir de Cloruro de Sodio y Ácido Sulfúrico se obtienen Sulfato de Sodio y Cloruro de Hidrógeno.
2- El Sulfato de Sodio se reduce con coque y se calcina con caliza, así se obtiene Carbonato de Sodio, Sulfuro de Calcio y Dióxido de Carbono. 3- Por extracción con agua pueden separarse el Carbonato de Sodio (soluble) y el Sulfuro de Calcio (insoluble). Al pasar al método de Solvay fue preciso obtener Cloro a partir de otras fuentes de Ácido Clorhídrico, sin que se alterase el cuadro en lo que se refiere
MÉTODO SOLVAY:
1- Haciendo pasar Amoniaco y Dióxido de Carbono (gaseosos) por una solución saturada de Coluro de Sodio se forma Carbonato ácido de Sodio y Cloruro de Amonio (ambos insolubles).
2- El carbonato ácido de sodio se separa de la solución por filtración y se transforma en carbonato de sodio por calcinación:
3-
El Cloruro de Amonio obtenido se hace reaccionar con Hidróxido de Calcio y se recupera Amoniaco.
4- El Hidróxido de Calcio se produce en la misma fábrica por calcinación de Carbonato de Calcio (piedra caliza) y asi se produce el Dióxido de Carbono
Bibliografía
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Hidróxido de Sodio por Vane Brusa, Scribd.
- Obtención del NaOH por Edison, Scribd. Apuntes de electroquímica, Electrolisis industrial OCW (pdf). - tecnoficio.com/electricidad/electrolisis_y_cloro.php
