كيف يفصل الغشاء الكلور والقلويات - مبدأ عمل خلايا التحليل الكهربائي ذات غشاء التبادل الأيوني

يُذاب الملح (كلوريد الصوديوم) في الماء، ويُطبّق تيار كهربائي مباشر. عند المصعد، ينطلق غاز الكلور ذو اللون الأصفر المخضر؛ وعند المهبط، يُنتج غاز الهيدروجين، ويتكون هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم) في المحلول. التفاعل الكلي: 2NaCl + 2H₂O ⟶ 2NaOH + Cl₂↑ + H₂↑

لا يحدث هذا التفاعل تلقائيًا، بل يتطلب جهدًا لا يقل عن 2.19 فولت لتحفيزه. وكلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفض هذا الجهد الأدنى، لذا تعمل خلية التحليل الكهربائي عند درجة حرارة تتراوح بين 85 و90 درجة مئوية. ولكن لا يمكن رفع درجة الحرارة إلى ما لا نهاية، لأن الغشاء الذي يؤدي الدور الحاسم لا يتحمل ذلك.

لا يكمن التحدي الحقيقي في التحليل الكهربائي في تطبيق التيار، بل في فصل النواتج فور تكوّنها. فإذا اختلط غاز الكلور مع الصودا الكاوية، يتفاعلان فورًا لينتج عنهما مبيض؛ وإذا اختلط غاز الكلور مع غاز الهيدروجين، فقد ينفجران. وقد وقعت حوادث جسيمة في الكلور القلوي غالباً ما تعود الصناعة إلى هذا السبب الجذري.

على مدار القرن الماضي، طُوّرت ثلاث طرق للفصل. أقدمها، عملية الزئبق، استخدمت الزئبق السائل المتدفق ككاثود، حيث يُذاب الصوديوم في الزئبق لتكوين سبيكة سائلة تُضخ إلى غرفة مجاورة لتتفاعل مع الماء وتُنتج الصودا الكاوية. لم يُوضع الكلور والقلويات في نفس الغرفة، على حساب سمية الزئبق. أما عملية الغشاء، فكانت تعتمد على وضع وسادة من الأسبستوس المسامي بين قطبين كهربائيين، مع تدفق محلول ملحي من الأنود إلى الكاثود، مستخدمةً التدفق لمنع الصودا الكاوية من التدفق العكسي. كانت هذه الطريقة بسيطة ورخيصة، لكن الصودا الكاوية كانت ملوثة بشدة بالملح، مما استدعى تبخيرها وتنقيها لاحقًا. أما عملية الغشاء، فهي مختلفة تمامًا: إذ تستخدم غشاءً بوليمريًا كثيفًا مملوءًا بشحنات سالبة، يصدّ بشكل طبيعي أيونات الهيدروكسيل (OH⁻) والكلوريد (Cl⁻) سالبة الشحنة، مما يسمح فقط لأيونات الصوديوم (Na⁺) بالمرور.

بنية التحليل الكهربائي الغشائي تتكون الخلية من طبقات متداخلة: مصعد من شبكة التيتانيوم (مغطى بأكسيد الروثينيوم والإيريديوم) ← غشاء ← مهبط من شبكة النيكل. تضغط التصاميم الحديثة "عديمة الفجوة" الأقطاب الكهربائية بمرونة على الغشاء، فلا تترك أي فجوة - إذ أن فقاعات الغاز المتولدة أثناء التحليل الكهربائي ستغطي الأقطاب وتزيد المقاومة؛ يسمح تصميم "عديم الفجوة" للفقاعات بالخروج عبر أخاديد على ظهر الأقطاب، مما يوفر طاقة كهربائية كبيرة.

ضمن البنية متعددة الطبقات لهذا الغشاء، يُعدّ المكون الأكثر أهمية طبقة حمض الكربوكسيل المواجهة للكاثود، وهي طبقة رقيقة للغاية. مجموعات حمض الكربوكسيل (–COOH) أحماض ضعيفة ذات قيمة pKa تتراوح بين 2 و3 تقريبًا. على جانب الأنود الحمضي (الأس الهيدروجيني 2-4)، تبقى نسبة كبيرة من مجموعات –COOH كجزيئات متعادلة، مع قنوات أيونية نصف مفتوحة؛ أما على جانب الكاثود القلوي (الأس الهيدروجيني > 14)، فتتفكك جميع مجموعات –COOH إلى –COO⁻، مُشكّلةً جدارًا كثيفًا من الشحنات السالبة التي تحجب أيونات الهيدروكسيل (OH⁻) بإحكام. يستغل الغشاء تدرج الأس الهيدروجيني الطبيعي على كلا الجانبين - "فتح الباب" للتوصيل على جانب الأنود و"إغلاق الباب" للحجب على جانب الكاثود. يحقق غشاء حمض السلفونيك أحادي الطبقة كفاءة تيار تبلغ حوالي 80% فقط؛ ومع إضافة طبقة حمض الكربوكسيل هذه، ترتفع الكفاءة إلى 96-97%.

بفعل المجال الكهربائي، تنتقل أيونات الصوديوم (Na⁺) من المحلول الملحي المركز عبر الغشاء إلى محلول الصودا الكاوية المركز. في الوضع الأمثل، لكل إلكترون يمر، يعبر أيون صوديوم واحد الغشاء - وهذه النسبة تساوي كفاءة التيار. مع ذلك، لا يزال حوالي 3-4% من التيار محمولًا بواسطة أيونات الهيدروكسيل (OH⁻) "الهروبية" - تركيز أيونات الهيدروكسيل في الكاثوليت أعلى بتريليون مرة من تركيزها في الأنوليت، وقوة الانتشار الناتجة عن تدرج التركيز قوية للغاية. أثناء عبور أيونات الصوديوم للغشاء، تسحب معها أيضًا 3-5 جزيئات ماء: فيصبح الكاثوليت مخففًا ويحتاج إلى إعادة ملء بالماء، بينما يفقد الأنوليت الماء ويزداد تركيز كلوريد الصوديوم - وفي الحالات القصوى، تترسب بلورات الملح وتخدش الغشاء.

الجهد النظري هو 2.2 فولت، بينما الجهد الفعلي أثناء التشغيل حوالي 3.0 فولت. يتوزع فرق الجهد الزائد البالغ 0.8 فولت على النحو التالي: جهد زائد عند المصعد، جهد زائد عند المهبط، مقاومة الإلكتروليت، مقاومة الغشاء (وهي المصدر الأكبر للفقد)، مقاومة القطب الكهربائي والتلامس، وتأثيرات الفقاعات. ومع ترقق الغشاء، ينخفض ​​جهد الخلية تبعًا لذلك.

تُعدّ متطلبات نقاء المحلول الملحي للغشاء صارمة للغاية: يجب ألا يتجاوز إجمالي الكالسيوم والمغنيسيوم الداخل إلى الخلية 20 جزءًا في المليار. وهذا يُعادل إذابة ما لا يزيد عن 50 غرامًا من كلوريد الكالسيوم في حوض سباحة قياسي مملوء بالماء - فتجاوز هذه الكمية يُسمّم الغشاء. ويبلغ محتوى الكالسيوم والمغنيسيوم في مياه البحر العادية 200,000 ضعف هذه القيمة. لذلك، يتطلب المحلول الملحي تنقية على مرحلتين: الترسيب الكيميائي (يجب عدم عكس ترتيب إضافة الكواشف أبدًا) يُقلّل الكالسيوم والمغنيسيوم من عدة مئات من الأجزاء في المليون إلى 5 أجزاء في المليون؛ ثم تقوم أبراج الراتنج المُخلّب بالتقاط الأيونات المتبقية، مما يُخفّض الإجمالي إلى أقل من 20 جزءًا في المليار. ويجب توخي الحذر الشديد فيما يخص اليود - إذ تُشكّل الكميات الضئيلة من اليود الموجودة في ملح البحر، بعد أكسدتها عند المصعد، رواسب دائمة داخل الغشاء، مما قد يُسبّب فقدانًا يصل إلى 5% في كفاءة التيار.

تشغيل خلية التحليل الكهربائي أشبه بتدوير خمسة مقابض مترابطة في آن واحد. درجة الحرارة 85-90 درجة مئوية: كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت الطاقة الكهربائية، لكن الغشاء لا يتحملها. كثافة التيار 3-6 كيلو أمبير/م²: كلما ارتفعت الكثافة، زادت السعة، لكن زادت خسائر المقاومة. زيادة تركيز المحلول الملحي تعني كفاءة تيار أعلى، لكنها تزيد من خطر التبلور الذي يخدش الغشاء. تركيز الصودا الكاوية حوالي 32-35%. يجب أن يكون ضغط جانب الهيدروجين دائمًا أعلى من ضغط جانب الكلور، لضمان أنه في حال حدوث تمزق في الغشاء، يتسرب الهيدروجين فقط إلى جانب الكلور، دون إتاحة الفرصة للكلور للدخول إلى جانب الهيدروجين وتكوين خليط قابل للاشتعال. إذا تجاوز ضغط جانب الكلور ضغط جانب الهيدروجين، فسيتسرب غاز الكلور عبر غشاء التبادل الأيوني أو موانع التسرب إلى جانب الهيدروجين. لا يؤدي اختلاط الكلور بالهيدروجين إلى تكوين خليط غازي قابل للاشتعال فحسب، بل يسبب أيضًا تآكلًا شديدًا لأنابيب الهيدروجين والضواغط. إذا كان ضغط الهيدروجين أعلى من ضغط الكلور، حتى في حالة حدوث تسرب طفيف، فسيتسرب الهيدروجين نحو الكلور. ورغم أن اختلاط الهيدروجين بالكلور يُشكل خطر انفجار، إلا أن أنظمة الكلور عادةً ما تكون مُجهزة بأنظمة إزالة هيدروجين ومراقبة أكثر شمولاً. والأهم من ذلك، وفقًا لمبدأ التصميم الصناعي "الأمان عند التعطل"، فإن الحفاظ على ضغط إيجابي طفيف على جانب الهيدروجين يُعد خط الدفاع الأخير ضد أخطر سيناريو وهو "تسرب الكلور إلى نظام الهيدروجين".

من الملح إلى غاز الكلور، والصودا الكاوية، والهيدروجين، تُحقق أغشية التبادل الأيوني، باستخدام غشاء بوليمري أرق من غلاف بلاستيكي، مرورًا سلسًا للأيونات الموجبة وحواجز منيعة للأيونات السالبة، وذلك بفضل التحكم الدقيق في تدرج الرقم الهيدروجيني. انخفاض استهلاك الطاقة، ونقاء المنتجات، وملاءمتها للبيئة، كل هذه المزايا الثلاث جعلت من عملية الأغشية الخيار الأمثل في صناعة الكلور القلوي الحديثة.