Il cloro viene prodotto dal sale (salamoia) tramite tre principali tecnologie. In Europa, la tecnologia a membrana rappresenta ora l'85% [1], seguita dal processo a diaframma (10%), mentre il processo con celle di mercurio è stato completamente eliminato (dal 2020). Altre tecnologie minori rappresentano il restante 5% della produzione di cloro-alcali.
Quando si produce cloro attraverso il processo di elettrolisi a membrana, la purezza della salamoia è molto importante. La presenza di impurità come calcio e magnesio può ridurre le prestazioni e la durata delle membrane o danneggiare gli elettrodi. Il blocco parziale della membrana porta a costi operativi elettrici più elevati e all'alto costo associato alla sostituzione delle membrane.
Questa Application Note del processo si concentra sul monitoraggio delle impurità di calcio e magnesio (note come durezza) nelle salamoie utilizzate per la produzione di cloro e soda caustica durante il processo cloro-alcali. Mediante l'analisi di processo online, è possibile ottenere informazioni importanti sul processo di rimozione delle impurità in modo tempestivo ed evitare le costose ostruzioni delle membrane.
Il cloro e la soda caustica sono utilizzati come materie prime nei processi di produzione per diversi mercati (ad esempio, pasta di legno e carta, petrolchimico e farmaceutico). Il processo cloro-alcali produce cloro e soda caustica tramite l'elettrolisi di soluzioni di cloruro di sodio (cioè salamoia) (Reazione 1). Questo processo è responsabile del 95% del cloro prodotto a livello globale [2]. Idrogeno (H2) è un coprodotto del processo cloro-alcali e può essere utilizzato per produrre altre sostanze chimiche (ad es. HCl, NH3, H2o2, CH3OH, e altro) o anche come utility per produrre vapore ed elettricità.
La tecnica di elettrolisi più comunemente applicata in Europa è la tecnica delle cellule a membrana (85%) [1]. Tutti i nuovi impianti si basano sull'elettrolisi a membrana della salamoia, che non include mercurio e amianto come le altre due principali tecnologie.
La purificazione della salamoia è un passaggio inevitabile per preservare le costose membrane e prolungare l'efficienza del processo di elettrolisi. Il livello di impurità compreso il calcio (Ca2+) e magnesio (Mg2+) (altrimenti noto come durezza) si riduce in due fasi di trattamento.
Dopo il trattamento primario con idrossido di sodio e carbonato di sodio, le impurità precipitate (CaCO3, Mg(OH)2) vengono filtrate o decantate e la salamoia purificata passa attraverso un'unità di scambio ionico (trattamento secondario) prima del processo di elettrolisi (Figura 1). L'efficienza dei trattamenti di decantazione e resina può essere calcolata in base a determinazione accurata della durezza prima e dopo l'inizio del trattamento secondario.
Dopo che la salamoia ha subito un trattamento secondario con una resina a scambio ionico, le concentrazioni di impurità possono essere ridotte di un fattore 1000. Il controllo a monte della qualità della salamoia aiuta a superare problemi costosi, come il blocco delle membrane di elettrolisi o l'arresto dovuto all'esaurimento prematuro della resina a scambio ionico. Pertanto, la determinazione della durezza nella salamoia ultrapura è necessaria per prevenire danni a valle nel processo di elettrolisi. Se le membrane sono incrostate sono necessarie procedure di bonifica molto costose.
Tradizionalmente, la salamoia può essere analizzata mediante titolazione di laboratorio (o fotometria). Tuttavia, questa metodologia non fornisce risultati tempestivi e richiede l'intervento umano per implementare i risultati dell'analisi di laboratorio nel processo. L'analisi di processo online consente un monitoraggio costante della qualità della salamoia senza lunghi tempi di attesa in laboratorio, fornendo risultati più accurati e rappresentativi direttamente in sala di controllo.
La qualità della salamoia deve essere costantemente monitorata per evitare il blocco delle membrane di elettrolisi o l'arresto dovuto all'esaurimento prematuro della resina a scambio ionico. Gli analizzatori di processo Metrohm possono essere utilizzati in diverse fasi del processo (figura 2), da elevate concentrazioni di durezza nell'alimentazione a concentrazioni molto basse nella salamoia ultrapura.
Il controllo a monte della qualità della durezza totale prima dello scambio ionico del trattamento secondario viene comunemente misurato durante una titolazione EDTA, con il punto di flesso determinato tramite sonda a immersione con indicatore di colore (Figura 3). La quantità in tracce di durezza presente dopo il processo di purificazione secondaria viene comunemente determinata fotometricamente con un indicatore di colore (Figura 4).
L'analisi onlinea è una soluzione affidabile, che offre limiti di rilevamento estremamente bassi e risultati estremamente accurati, fornendo una garanzia aggiuntiva che le risorse aziendali costose siano salvaguardate. Gli analizzatori di processo di Metrohm Process Analytics monitoreranno la concentrazione di durezza totale nella salamoia 24 ore su 24 e invieranno avvisi automatici in caso di infiltrazione di impurità dallo scambiatore di ioni, consentendo un'azione rapida prima che le membrane vengano danneggiate.
Altre applicazioni sono disponibili per l'industria dei cloro-alcali come: acidità, carbonato, idrossido, silice, allumina, ammoniaca, iodato, stronzio, bario e cloro.
| Analita | Intervallo di concentrazione | Limite di rilevamento |
|---|---|---|
| Trattamento resina in ingresso | ||
| Ca2+ | 0–20 mg/l | 0,05 mg/l |
| Mg2+ | 0–10 mg/l | 0,18 mg/l |
| Trattamento resina in uscita | ||
| Ca2+ | 0–20 μg/l | 0,4 μg/L |
| Mg2+ | 0–20 μg/l | 0,4 μg/L |
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