LA PRODUCTION DE CHLORE ET DE SOUDE OU DE POTASSE
L’électrolyse des saumures produit du chlore et de la soude ou de la potasse. Le chlorure de sodium (NaCl) est le sel principalement utilisé; on en tire la soude caustique (NaOH). Cependant, l’utilisation du chlorure de potassium (KCl) produit la potasse caustique (KOH).
2 NaCl + 2 H2O → Cl2 ↑ + 2 NaOH + H2 up ↑
sel + eau → chlore (gazeux) + soude caustique + hydrogène (gazeux)
A l’heure actuelle, les cellules à diaphragme sont les plus utilisées pour la production commerciale de chlore, suivies des cellules au mercure et, enfin, des cellules à membrane. Pour des raisons économiques, environnementales et de qualité du produit, les fabricants préfèrent maintenant les cellules à membrane pour leurs nouvelles usines.
Les cellules à diaphragme
Une cellule à diaphragme comporte un compartiment alimenté en saumure saturée et muni d’une anode en titane revêtue de sels de ruthénium et d’autres métaux (voir figure 77.4). Une tête de cellule en plastique recueille le chlore gazeux chaud et humide produit à cette anode. A l’aide d’un compresseur, le chlore est aspiré dans un collecteur pour la suite du traitement, c’est-à-dire refroidissement, séchage et compression. L’eau et la saumure n’ayant pas réagi percolent à travers un séparateur à diaphragme poreux jusque dans le compartiment cathodique, où l’eau réagit sur une cathode en acier pour produire de l’hydroxyde de sodium (soude caustique) et de l’hydrogène. Le diaphragme sépare le chlore produit à l’anode de l’hydroxyde de sodium et de l’hydrogène produits à la cathode. Si ces produits se combinent, on obtient de l’hypochlorite de sodium (agent de blanchiment) ou du chlorate de sodium. Les producteurs commerciaux de chlorate de sodium utilisent des cellules sans séparateurs. Le diaphragme le plus courant est un composite fait d’amiante et d’un polymère fluorocarboné. Les usines modernes équipées de cellules à diaphragme ne connaissent pas les problèmes de santé ou de protection de l’environnement autrefois associés à l’utilisation des diaphragmes d’amiante. Certaines usines utilisent des diaphragmes sans amiante, qui existent maintenant sur le marché. Les cellules à diaphragme produisent une solution diluée d’hydroxyde de sodium contenant du sel n’ayant pas réagi. Une étape supplémentaire d’évaporation concentre la soude caustique et enlève la majeure partie du sel pour fournir une soude caustique de qualité commerciale.
Figure 77.4 Procédés faisant appel à des cellules de type chloralcali
Les cellules au mercure
Une cellule au mercure se compose en réalité de deux cellules électrochimiques. La réaction dans la première cellule, à l’anode, est la suivante:
2 Cl– → Cl2 + 2 e–
chlorure → chlore + électrons
La réaction dans la première cellule à la cathode est la suivante:
Na+ + Hg +e– → Na · Hg
ion sodium + mercure + électrons → amalgame de sodium
La saumure s’écoule dans un conduit incliné en acier dont les côtés sont garnis de caoutchouc (voir figure 77.4). Le mercure, la cathode, s’écoule sous la saumure. Des anodes de titane enduit sont suspendues dans la saumure pour produire le chlore, qui sort de la cellule pour se diriger vers un système de collecte et de traitement. Du sodium est électrolysé dans la cellule et quitte la première cellule, amalgamé au mercure. Cet amalgame entre dans une deuxième cellule électrochimique appelée décomposeur. Ce décomposeur est muni d’une cathode ne graphite et d’une anode en amalgame. La réaction dans le décomposeur est la suivante:
2 Na · Hg + 2H2O → 2 NaOH + 2 Hg + H2 ↑
Les cellules au mercure produisent directement du NaOH de qualité commerciale (50%).
Les cellules à membrane
Les réactions électrochimiques dans une cellule à membrane sont les mêmes que dans la cellule à diaphragme. Une membrane échangeuse de cations est utilisée au lieu du diaphragme poreux (voir figure 77.4). Cette membrane empêche la migration des ions chlorure dans le catholyte, produisant de ce fait de 30 à 35% de soude caustique pratiquement exempte de sel directement à partir de la cellule. Comme il n’est plus nécessaire d’enlever le sel, l’évaporation de la soude jusqu’à l’obtention de la concentration commerciale de 50% est simplifiée et exige ainsi moins d’investissement et d’énergie. De coûteuses cathodes en nickel sont employées dans la cellule à membrane étant donné que la soude caustique est plus concentrée.
Les dangers pour la sécurité et la santé
Aux températures ordinaires, le chlore sec, qu’il soit à l’état liquide ou gazeux, ne corrode pas l’acier. Le chlore humide est fortement corrosif parce qu’il forme des acides chlorhydrique et hypochloreux. Des précautions devraient être prises pour que le chlore et l’équipement restent secs. La tuyauterie, les robinets et les réservoirs devraient être fermés ou recouverts quand ils ne sont pas en service afin d’éviter l’infiltration de l’humidité ambiante. Si on utilise de l’eau sur une fuite de chlore, la corrosion qui en résultera ne fera qu’aggraver la fuite.
Le volume du chlore liquide augmente avec la température. Des précautions devraient être prises pour éviter la rupture hydrostatique de la tuyauterie, des réservoirs ou de tout autre équipement rempli de chlore liquide.
L’hydrogène est un coproduit du chlore obtenu par électrolyse de solutions aqueuses de saumure. Dans une marge connue de concentration, les mélanges de chlore et l’hydrogène sont inflammables et potentiellement explosifs. La réaction du chlore et de l’hydrogène peut être déclenchée par la lumière directe du soleil, d’autres sources de lumière ultraviolette, l’électricité statique ou une percussion.
De petites quantités de trichlorure d’azote, composé instable et fortement explosif, peuvent être produites lors de la fabrication du chlore. Quand du chlore liquide contenant du trichlorure d’azote s’évapore, le trichlorure d’azote peut atteindre des concentrations dangereuses dans le chlore liquide restant.
Le chlore peut réagir, parfois de façon explosive, avec un certain nombre de matières organiques comme l’huile et la graisse provenant de sources telles que les compresseurs d’air, les vannes, les pompes et l’instrumentation à diaphragmes, ainsi que le bois et les chiffons employés pour l’entretien.
Au premier signe d’émanations de chlore, des mesures doivent être prises. Les fuites de chlore vont toujours en empirant si elles ne sont pas rapidement corrigées. Quand une fuite de chlore se produit, du personnel autorisé et qualifié, équipé d’appareils respiratoires et d’équipements de protection individuelle appropriés devrait faire une enquête et prendre les mesures qui s’imposent. Les travailleurs ne devraient pas pénétrer dans un endroit dont l’air ambiant contient des concentrations de chlore qui dépassent le seuil constituant un danger immédiat pour la vie ou la santé (Immediately Dangerous to Life and Health (IDLH) — 10 ppm) sans équipement de protection individuelle approprié et en l’absence de personnel prêt à intervenir pour porter secours. Seules les personnes indispensables au bon déroulement des opérations doivent être autorisées à rester; les autres devraient être éloignées et la zone dangereuse, isolée. Les individus pouvant avoir été exposés à une émission de chlore devraient être évacués ou abrités sur place, selon les circonstances.
Des détecteurs localisés de chlore et des indicateurs de direction du vent peuvent fournir de l’information utile (par exemple, voies de sorties) afin de déterminer si le personnel doit être évacué ou abrité sur place.
En cas d’évacuation, les personnes qui peuvent avoir été exposées devraient se déplacer au vent par rapport à la fuite. Puisque le chlore est plus lourd que l’air, il est préférable de se placer en terrain plus élevé. Pour quitter les lieux le plus rapidement possible, ceux et celles qui se trouvent déjà dans un secteur contaminé devraient se déplacer à vent latéral.
Si on choisit de rester sur place, il faut fermer toutes les fenêtres, portes et autres ouvertures, les climatiseurs et autres prises d’air. Les travailleurs devraient se déplacer du côté du bâtiment le plus éloigné de l’émission.
Il faut s’assurer que personne ne restera bloqué, sans possibilité de sortie. Une position qui était sûre peut devenir dangereuse si la direction du vent change. De nouvelles fuites peuvent également se produire ou la fuite existante s’aggraver.
En cas d’incendie ou d’incendie imminent, les réservoirs de chlore et l’équipement qui en contient devraient être éloignés du feu, si possible. Si un réservoir ou un appareil qui ne fuit pas ne peut être déplacé, il devrait être tenu au frais par aspersion d’eau. Il ne faut pas appliquer d’eau directement sur une fuite de chlore. Le chlore et l’eau réagissent en formant des acides et la fuite ne tarderait pas à s’aggraver. Cependant, en présence de plusieurs réservoirs dont certains fuient, il peut être prudent d’asperger d’eau ceux qui ne fuient pas pour éviter une surpression.
Chaque fois que des capacités ont été exposées aux flammes, il conviendrait de projeter de l’eau de refroidissement bien longtemps après que l’incendie aura été éteint et que les réservoirs seront refroidis. Les capacités exposées au feu devraient être isolées et le fournisseur être contacté le plus tôt possible.
Les solutions d’hydroxyde de sodium sont corrosives, particulièrement sous forme concentrée. Le personnel risquant d’être exposé à des déversements et à des fuites devrait porter des gants, un écran facial, des lunettes ainsi que des vêtements de protection.
Remerciements: les auteurs remercient le docteur R.G. Smerko, qui a mis à leur disposition les ressources du Chlorine Institute, Inc.
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