Membran- vs. Quecksilberelektrolyse

„Membranverfahren ist die meist versprechende und sich am schnellsten entwickelnde Technik für Herstellung von Chlor und Alkalien, die ohne Zweifel mit der Zeit beide sonstigen Verfahren (Diaphragma- und Amalgamverfahren) ersetzt”[1]

Die moderne Membrantechnik ist besser als Quercksilbertechnik, weil:

• es verhindert, Quecksilber in die Umwelt durchzudringen,
• es mehr ökonomisch ist (kleinerer Energieverbrauch),
• die Membraninstallation nicht so oft Wartung bedarf als Quecksilberinstallation.

Membranverfahren ersetzt das Quecksilberverfahren

Das Quecksilberverfahren wurde in Europa allgemein mehr als hundert Jahre lang benutzt. Der Anfang für die Entwicklung der Membrantechnik, und eigentlich Ionentauschermembranen, reicht  bis in die 70-er Jahre des 20. Jahrhunderts zurück. Das Membranverfahren begann man für die Herstellung von Natriumhydroxid in breitem Umfang im  Jahr 1987 zu benutzen. Seit dieser Zeit   stieg die Polularität der Membranelektrolise langsam und dadurch haben immer mehr chemische Betriebe Quecksilberinstallationen in die Membraninstallationen umgewandelt.

Konversion der Quecksilbertechnik in die Membrantechnik verlief aber in Europa sehr langsam, vor allem wegen dert hohen Modernisationskosten. Noch im Jahr 2001 haben 55% der auf unserem Erdteil installierten Produktionskapazitäten für Herstellung von Chloralkalien die Quecksilbertechnik benutzt und nur die 20% davon – die Membrantechnik. Erst haben die eingeführten Änderungen der rechtlichen Regelungen die Hersteller gezwungen, auf die Quecksilbertechnik zu verzichten. Nach Vorschriften der seit 2013 gültigen Richtlinie über Industrieemmissionen war das Jahr 2017 das letzte, in dem das Quecksilberverfahren im Rahmen der Herstellung von Chloralkalien, darin von Natriumhydroxid, in den Mitgliedstaaten verwendet werden konnte.

Die Hauptgründe für den völligen Rückzug der Quecksilberelektrolysen aus EU sind:

• rechtliche Anforderungen,
• ökonomische Gründe – hohe Herstellungskosten,
• Anstieg der Nachfrage für Natronlauge,
• schlechter technischer Zustand der Installation.

Die wichtigsten Gründe für Wechsel der Quecksilberinstallation in die Membraninstallation sind Kosten und Bedingungen für Verbrauch und Wartung der Herstellungssysteme und auch der Zustand der Umwelt und die menschliche Gesundheit.  In der Firma PCC Rokita begann die Anpassung an die neuen rechtlichen Normen bereits im Jahr 2010, als die erste Membraninstallation in Brzeg Dolny in Betrieb genommen wurde. Der zweite Teil wurde 2015 in Betrieb genommen und gleichzeitig wurde die Installation endgültig geschlossen, die das Quecksilberverfahren benutzt hat.

Worauf beruht die Membranelektrolyse?

Beim Herstellungprozess von Natriumhydroxid mithilfe von Membranverfahren trennt eine Membrane, die befreite Ionen durchleitet, beide Elektroden (Titananode und Stahl- oder Nickelkathode). Im Anodenraum werden Chlorionen aus der Salzlake zum Chlorgas oxidiert und die Natriumionen gehen durch Membrane in den Kathodenraum durch, durch den die Natronlauge durchfließt.  Zum Kreislauf von Katholyt wird das Wasser hinzugefügt, das beim Produktionsverfahren für Erzeugung von Hydroxidionen und Wasserstoffgas verbraucht wird. Die auf diese Weise entstandenen Wasserstoffanionen  und Natriumkationen bilden das Natriumhydroxid. Gewöhnlich wird die solche Lösung vor deren Entführung aus der Elektrolysezelle rezirkuliert, um sie  bis 32-35% zu konzentrieren.  Die Erreichung der 50%-igen Konzentration ist es dadurch möglich, dass die Natronlauge mithilfe von Wasserdampf verdampft wird.

Vorsprung der Mambran- vor Quecksilberelektrolyse

Die Gewinnung von Natriumhydroxid mithilfe von Membranelektrolyse bringt mit sich viele Vorteile im Vergleich mit dem Quecksilberverfahren. Es sind unter anderen:

• Wirkung bei kleinerer Klemmenspannung im Vergleich mit Quecksilber- Elektrolysezellen,
• niedrigerer Stromverbrauch und der Energieverbrauch in der Form vom Wasserdampf,
• Möglichkeit der Tagesänderung von der Strombelastung, was völlig erlaubt, das Nachttarif für Strom zu benutzen,
• Minimalisierung der Gefahr für Umweltverseuchung.

Ist das Quecksilberverfahren sicher?

Beim Quecksilberverfahren ist das Quecksilber das Kathodematerial. Es nimmt an den Elektrolyseverfahren teil, bei dem die Natronlauge entsteht.  Leider ist die Anwendung von Quecksilber sehr gefährlich, weil das Quecksilber:

• destruktiv auf menschlichen Organismus wirkt – es wird in Nieren gesammelt und es beschädigt sie, es zerstört biologische Membranen und verbindet sich mit Eiweißstoffen des Organismus und dadurch stört es biochemische Prozesse; Quecksilbervergiftung kann bis zum Tod wegen der Atem- oder Kreislaufinsuffizienz oder wegen der Schleimhautentzündung führen,
• die Umweltverseuchung verursacht – bei der Herstellung von Natriumhydroxid treten Verluste von Quecksilber auf, das ins Wasser, in die Luft, in den Boden, in die Abfälle und in das Produkt selbst eindringt.

Aus diesen Gründen wird die Anwendung vom Quecksilberverfahren bei der Herstellung von Natronlauge auf der ganzen Welt immer weniger populär als die Anwendung der Membranelektrolyse. Das Membranverfahren ist die Methode für Gewinnung von Natriumhydroxid mit hoher Qualität mit Berücksichtigung der ökologischen und ökonomischen Aspekten.

[1]Najlepsze Dostępne Techniki (BAT) Wytyczne dla branży Chemicznej w Polsce. Przemysł Chloro-Alkaliczny. Ministerstwo Środowiska [Die besten vorhandenen Techniken (BAT) Richtlinien für chemische Branche in Polen. Industrie der Chloralkalien. Ministerium für die Umwelt], Bearbeitung: Zespół Specjalistów Technicznej Grupy Roboczej ds. Przemysłu Chemicznego [Team von Fachleuten der technischen Arbeitsgruppe für chemische Industrie], Warszawa, August 2005, Seite 42.