工業(yè)上用電解飽和NaCl溶液的方法來制取NaOH、Cl2和H2,并以它們?yōu)樵仙a一系列化工產品,稱為氯堿工業(yè).氯堿工業(yè)是最基本的化學工業(yè)之一,它的產品除應用于化學工業(yè)本身外,還廣泛應用于輕工業(yè)、紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、石油化學工業(yè)以及公用事業(yè). 一、電解飽和食鹽水反應原理 電解飽和食鹽水的原理與前面學過的電解CuCl2 溶液的原理是相類似的. 【實驗3】 在U型管里裝入飽和食鹽水,用一根碳棒作陽極,一根鐵棒作陰極（如右圖）.同時在兩邊管中各滴入幾滴酚酞試液,并把濕潤的碘化鉀淀粉試紙放在陽極附近.接通直流電源后,注意觀察管內發(fā)生的現象及試紙顏色的變化. 從實驗可以看到,在U型管的兩個電極上都有氣體放出.陽極放出的氣體有刺激性氣味,并且能使?jié)駶櫟牡饣浀矸墼嚰堊兯{,說明放出的是Cl2；陰極放出的氣體是H2,同時發(fā)現陰極附近溶液變紅,這說明溶液里有堿性物質生成. 為什么會出現這些實驗現象呢? 這是因為NaCl是強電解質,在溶液里完全電離,水是弱電解質,也微弱電離,因此在溶液中存在Na+、H+、Cl-、OH-四種離子.當接通直流電源后,帶負電的OH-和Cl-向陽極移動,帶正電的Na+和H+向陰極移動.在這樣的電解條件下,Cl-比OH-更易失去電子,在陽極被氧化成氯原子,氯原子結合成氯分子放出,使?jié)駶櫟牡饣浀矸墼嚰堊兯{. 陽極反應：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反應） H+比Na+容易得到電子,因而H+不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子,并結合成氫分子從陰極放出. 陰極反應：2H+＋2e-＝H2↑（還原反應） 在上述反應中,H+是由水的電離生成的,由于H+在陰極上不斷得到電子而生成H2放出,破壞了附近的水的電離平衡,水分子繼續(xù)電離出H+和OH-, H+又不斷得到電子變成H2,結果在陰極區(qū)溶液里OH-的濃度相對地增大,使酚酞試液變紅.因此,電解飽和食鹽水的總反應可以表示為： 工業(yè)上利用這一反應原理,制取燒堿、氯氣和氫氣. 在上面的電解飽和食鹽水的實驗中,電解產物之間能夠發(fā)生化學反應,如NaOH溶液和Cl2能反應生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能發(fā)生爆炸.在工業(yè)生產中,要避免這幾種產物混合,常使反應在特殊的電解槽中進行. 二、離子交換膜法制燒堿 目前世界上比較先進的電解制堿技術是離子交換膜法.這一技術在20世紀50年代開始研究,80年代開始工業(yè)化生產. 離子交換膜電解槽主要由陽極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導電銅棒等組成,每臺電解槽由若干個單元槽串聯或并聯組成.右圖表示的是一個單元槽的示意圖.電解槽的陽極用金屬鈦網制成,為了延長電極使用壽命和提高電解效率,鈦陽極網上涂有鈦、釕等氧化物涂層；陰極由碳鋼網制成,上面涂有鎳涂層；陽離子交換膜把電解槽隔成陰極室和陽極室.陽離子交換膜有一種特殊的性質,即它只允許陽離子通過,而阻止陰離子和氣體通過,也就是說只允許Na+通過,而Cl-、OH-和氣體則不能通過.這樣既能防止陰極產生的H2和陽極產生的Cl2相混合而引起爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影響燒堿的質量.下圖是一臺離子交換膜電解槽（包括16個單元槽）. 精制的飽和食鹽水進入陽極室；純水（加入一定量的NaOH溶液）加入陰極室.通電時,H2O在陰極表面放電生成H2,Na+穿過離子膜由陽極室進入陰極室,導出的陰極液中含有NaOH；Cl-則在陽極表面放電生成Cl2.電解后的淡鹽水從陽極導出,可重新用于配制食鹽水. 離子交換膜法電解制堿的主要生產流程可以簡單表示如下圖所示： 電解法制堿的主要原料是飽和食鹽水,由于粗鹽水中含有泥沙、 精制食鹽水時經常加入Na2CO3、NaOH、BaCl2等,使雜質成為沉淀過濾除去,然后加入鹽酸調節(jié)鹽水的pH.例如： 加入Na2CO3溶液以除去Ca2+： 加入NaOH溶液以除去Mg2+、Fe3+等： Mg2+＋2OH-＝Mg(OH)2↓ Fe3+＋3OH-＝Fe(OH)3↓ 以除去過量的Ba2+： 這樣處理后的鹽水仍含有一些Ca2+、Mg2+等金屬離子,由于這些陽離子在堿性環(huán)境中會生成沉淀,損壞離子交換膜,因此該鹽水還需送入陽離子交換塔,進一步通過陽離子交換樹脂除去Ca2+、Mg2+等.這時的精制鹽水就可以送往電解槽中進行電解了. 離子交換膜法制堿技術,具有設備占地面積小、能連續(xù)生產、生產能力大、產品質量高、能適應電流波動、能耗低、污染小等優(yōu)點,是氯堿工業(yè)發(fā)展的方向. 三、以氯堿工業(yè)為基礎的化工生產 NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生產原料,可以進一步加工成多種化工產品,廣泛用于各工業(yè).所以氯堿工業(yè)及相關產品幾乎涉及國民經濟及人民生活的各個領域. 由電解槽流出的陰極液中含有30％的NaOH,稱為液堿,液堿經蒸發(fā)、結晶可以得到固堿.陰極區(qū)的另一產物濕氫氣經冷卻、洗滌、壓縮后被送往氫氣貯柜.陽極區(qū)產物濕氯氣經冷卻、干燥、凈化、壓縮后可得到液氯. 以氯堿工業(yè)為基礎的化工生產及產品的主要用途見下圖. 隨著人們環(huán)境保護意識的增強,對以氯堿工業(yè)為基礎的化工生產過程中所造成的污染及其產品對環(huán)境造成的影響越來越重視.例如,現已查明某些有機氯溶劑有致癌作用,氟氯烴會破壞臭氧層等,因此已停止生產某些有機氯產品.我們在充分發(fā)揮氯堿工業(yè)及以氯堿工業(yè)為基礎的化工生產在國民經濟發(fā)展中的作用的同時,應盡量減小其對環(huán)境的不利影響. 我國氯堿工業(yè)的發(fā)展 我國最早的氯堿工廠是1930年投產的上海天原電化廠（現上海天原化工廠的前身）,日產燒堿2t.到1949年解放時,全國只有少數幾家氯堿廠,燒堿年產量僅1.5萬噸,氯產品只有鹽酸、液氯、漂白粉等幾種. 近年來,我國的氯堿工業(yè)在產量、質量、品種、生產技術等方面都得到很大發(fā)展.到1990年,燒堿產量達331萬噸,僅次于美國和日本,位于世界第三位.1995年,燒堿產量達496萬噸,其中用離子交換膜電解法生產的達56.2萬噸,占總產量的11.3％.預計到2000年,燒堿年產量將達540萬噸,其中用離子膜電解法生產的將達180萬噸,占33.3％.參考資料：