El cloro y la sosa cáustica son dos de las sustancias químicas más producidas a nivel mundial. Se utilizan para fabricar numerosos productos químicos intermedios, que a su vez son materias primas importantes para varias industrias (p. ej., pulpa y papel, petroquímica y farmacéutica). El proceso cloro-álcali es responsable de la mayor parte de la producción de cloro y soda cáustica.

El proceso de cloro-álcali crea estos dos productos juntos en proporciones similares a través de la electrólisis de salmuera de cloruro de sodio (o potasio). Para que el proceso sea lo más eficiente posible, la salmuera debe estar libre de impurezas (p. ej., metales alcalinotérreos); de lo contrario, las costosas membranas pueden ensuciarse, lo que genera altos costos de mantenimiento inesperados.

Los analizadores de procesos de Metrohm se pueden utilizar en varias etapas de este proceso, desde el control de impurezas en salmuera sin tratar hasta salmuera ultrapurificada. Esta nota de aplicación de proceso describe un método para determinar la concentración de estroncio y bario en salmuera como detectores tempranos de ensuciamiento de membrana mediante cromatografía iónica de proceso en línea. El uso de esta técnica analítica multiparamétrica puede ayudar a reducir el riesgo de ensuciamiento prematuro de la membrana y evitar un mantenimiento inesperado y altos costos de servicios públicos con análisis automatizados las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

Se pueden utilizar diferentes métodos para crear cloro y soda cáustica (NaOH) a partir de salmuera, pero la técnica de electrólisis más aplicada en Europa es la tecnica de celulas de membrana, ya que no incluye mercurio y asbesto como las otras opciones.

Figura 1 muestra una ilustración de la técnica de celda de membrana para la producción de cloro a partir de materia prima de salmuera saturada. Para la técnica de celda de membrana de cloro-álcali, el ánodo y el cátodo están separados por una membrana selectiva de intercambio de iones. Esto permite que solo los iones de Na cargados positivamente penetren en la semicelda del cátodo. La salmuera purificada se bombea a la semicelda del ánodo como electrolito. Luego, los iones de Cl cargados negativamente de la salmuera se oxidan en el ánodo, convirtiéndolos en cloro gaseoso (Cl₂). En el lado de la semicelda del cátodo, el agua se reduce a gas hidrógeno (H₂), dejando los iones de hidróxido resultantes (OH^-) para reaccionar con Na⁺ que ha migrado a través de la membrana, formando finalmente NaOH.

Para que este proceso sea lo más eficiente posible y para evitar el ensuciamiento prematuro de la membrana, la materia prima de salmuera debe estar libre de impurezas. Esto hace indispensable el análisis químico de la salmuera.

Dependiendo del origen de la salmuera, las impurezas iónicas pueden variar. El calcio y el magnesio (dureza) son las impurezas iónicas más comunes aquí. El seguimiento de estas sustancias proporciona información importante sobre la eficacia de la eliminación de impurezas antes del paso de electrólisis (Figura 2). Sin embargo, el estroncio y el bario también pueden estar presentes y son igual de dañinos para las membranas, incluso en cantidades mínimas. Típicamente, Sr.²⁺ y ba²⁺ son los primeros iones multivalentes que atraviesan la membrana de intercambio iónico, lo que los convierte en excelentes parámetros para monitorear la vida útil de los intercambiadores de iones. Al monitorear los niveles de trazas de estroncio y bario en la salmuera purificada, se puede detectar un avance antes de que el calcio y el magnesio ensucien la membrana. El rango de medición deseado para ambos contaminantes es de 10 a 100 μg/L.

Las técnicas analíticas aplicadas con más frecuencia para la determinación de estroncio y bario en salmuera son la cromatografía iónica (IC), la espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) y la espectrometría de emisión óptica ICP (ICP-OES). Aunque ICP es una técnica multiparamétrica que cubre amplios rangos analíticos, también es costosa, no se puede implementar fácilmente en línea y requiere personal capacitado. Además, el límite de detección de estroncio y bario no es lo suficientemente bajo con ICP en comparación con el análisis IC, y los costos operativos para ICP son más altos debido al uso de grandes cantidades de argón de alta pureza.

Metrohm Process Analytics ofrece una solución para monitorear estroncio y bario en salmuera: el Analizador de procesos de cromatografía iónica (IC) 2060 con preconcentración en línea combinada y eliminación de matriz en línea. Con una inyección, el 2060 IC Process Analyzer puede cuantificar estroncio y bario. El sistema de análisis se alimenta directa y continuamente con muestras a través de un bypass en la corriente del proceso.

La calibración automática garantiza excelentes límites de detección, así como una alta reproducibilidad y recuperación. Además, el analizador de procesos 2060 IC proporciona alarmas si se alcanzan los límites de concentración de advertencia o intervención preestablecidos, lo que ayuda a ahorrar costos al evitar el ensuciamiento prematuro de la membrana.

El análisis se lleva a cabo de forma totalmente automática mediante la preconcentración en línea (Metrosep Chel PCC 1 VHC/4.0.) combinado con Eliminación de matriz en línea. La detección de niveles traza de estroncio y bario se realiza a través de un detector de conductividad. Esta combinación de técnicas permite la posibilidad de medir cantidades muy bajas de estroncio y bario en salmuera altamente concentrada (figura 3), logrando un rango de medición de 12–120 μg/L para ambos analitos.

Las numerosas técnicas inteligentes de preacondicionamiento de muestras que ofrece la cromatografía iónica de Metrohm (p. ej., preconcentración y eliminación de matriz) hacen que el análisis de impurezas catiónicas en soluciones de salmuera sea simple y fácil de realizar en línea. La integración de un módulo de producción de eluyente incorporado y PURELAB® flex 5/6 opcional de ELGA® para el suministro continuo de agua ultrapura sin presión permite una operación en línea autónoma fácil durante todo el día.

El análisis de procesos de Metrohm Analizador de procesos IC 2060 puede medir de manera confiable trazas de estroncio y bario en salmueras industriales comúnmente utilizadas en la industria de cloro-álcali. Este método de análisis utilizado en el analizador permite productores de cloro-álcali para evitar el ensuciamiento prematuro de las costosas membranas de intercambio iónico utilizadas en el proceso, así como los costos significativos de reemplazo y mantenimiento.

Libro blanco: Optimización de la producción de cloro-álcali a través del análisis químico en línea

AN-PAN-1058 Determinación en línea de litio en corrientes de salmuera con cromatografía iónica

AN-PAN-1005 Análisis de calcio, magnesio en salmuera

Folleto: Seguimiento de trazas de estroncio en salmueras

Folleto: Industria del cloro-álcali: soluciones fiables online, inline y atline para satisfacer las necesidades de su proceso