Estudo do impacto das impurezas da salmoura no processo de eletrólise

Abstract

A indústria de cloro-álcalis é uma indústria com bastante expressão no panorama da indústria química mundial. O cloro e soda cáustica produzidos são dois intermediários de referência com uma ampla gama de aplicação nas mais diversas indústrias. Em Portugal, a maior empresa deste ramo é a CUF-QI. Uma vez que, nesta indústria, grande parte dos custos de produção está associado ao consumo elétrico é essencial que se minimizem todas as fontes de aumento de potencial. Esta redução só é possível identificando a sua origem e quantificando a sua magnitude. A tecnologia de eletrólise que domina neste momento na indústria é a de células de membrana. Uma das principais limitações da tecnologia de membrana é a baixa tolerância dos seus elementos, em especial da membrana, às impurezas dos eletrólitos. A salmoura que é utilizada como matéria-prima para a eletrólise é uma potencial fonte de impurezas que, apesar de ser sujeita a pré-tratamentos, apresenta, na admissão à célula um teor de impurezas que poderá conduzir a uma diminuição do desempenho da célula. A literatura é escassa e aquela que existe é feita de modo essencialmente qualitativo: uma associação entre a presença de impurezas e o aumento de potencial e diminuição da eficiência. Assim, o estudo dos efeitos e consequências das várias impurezas na membrana, e consequentemente na globalidade do processo, da eletrólise faz todo o sentido. Tendo em conta a realidade da empresa, estudou-se, neste trabalho, o efeito da presença de ferro e de monoclorobenzeno na salmoura. Os ensaios foram efetuados numa célula piloto com uma membrana de 9 cm2 que reproduz a operação industrial. As concentrações das impurezas foram amplificadas relativamente à operação normal com vista a permitir, em tempo útil, verificar alterações no comportamento da célula. Para avaliar o desempenho da célula recorreu-se a técnicas de caracterização genéricas tais como a espectroscopia de varrimento eletrónico e algumas mais específicas da eletroquímica como a espectroscopia de impedância eletroquímica e a medição de potencial em estado estacionário. A caraterização do sistema envolveu ainda, técnicas de teor mais prático e mais usadas deste tipo de indústria como a determinação do fator-k. Verificou-se que além dos danos visíveis a olho nu na membrana e da maior ou menor estabilidade do potencial ao longo dos ensaios, não existiram dados que comprovem danos nas membranas nas operações com impurezas, mesmo no caso em que o pH sofreu alteração. O tempo definido para cada experiência pode ter-se revelado insuficiente para reproduzir um efeito significativo nas variáveis avaliadas.

The chlor-alkali industry has a strong expression in the world chemical industry. Chlorine and caustic soda that are produced by this industry are two intermediate products with a wide range of applications in other type of industries. In Portugal, the greatest chlor-company is CUF-QI. In the chlor-alkali the energy consumption represents the major cost factor in the production costs. This way, it is desirable to keep high process performance. that all fonts of increasing potential are reduced. For that it is essential to distinguish and monitor the different components affecting the power consumption. The membrane technology is dominating the actual chlor-alkali industry. One of the drawbacks of that kind of technology is the low tolerance of the cell components, specially the membrane, to the presence of impurities in electrolytes. The presence of impurities in brine will lead to a cell performance decrease. The literature about this issue is scarce and the one that exists is essentially qualitative: it associates the presence of impurities to the potential increase and current efficiency decrease. So, the study to assess the effects of impurities on the membrane and consequently on the electrolysis performance is of great importance. Having into account the company reality it was defined to study the effects of iron and silica. Due to operation constraints it was not possible to perform an accelerated life test with silica. As so, instead it was decided to study the effect of organic compounds, namely monochlorobenzene. The tests were performed in a pilot cell with a 9 cm2 membrane that reproduces the industrial operation. The impurity concentrations, iron and monochlorobenzene, were amplified relatively to normal operation to perform an accelerated failure study. For this verification generic characterization techniques were used such as scanning electron microscopy. Electrochemical impedance spectroscopy and measure of potential at steady-state were used too. The system characterization also included a typical technique of this industry –the so called k-factor determination. It was concluded that significant damages in membranes don’t exist even when pH value was modified. The time defined to operation could have been insufficient to reproduce the predicted effects on the variables studied.