Il processo cloro-soda a membrana: cloro, soda e idrogeno

Da una semplice salamoia — acqua e sale comune — l’industria ricava tre prodotti di base della chimica: cloro, idrogeno e soda caustica. È il processo cloro-soda, una delle elettrolisi industriali più importanti al mondo, oggi dominata dalla tecnologia a membrana a scambio ionico che ha soppiantato i vecchi impianti a mercurio e a diaframma.

Vediamo che cosa si forma nella cella, come funziona la cella a membrana, perché ha sostituito mercurio e diaframma e quali numeri operativi caratterizzano un impianto reale.

Che cosa produce l’elettrolisi del cloruro di sodio

Alimentando una cella con salamoia (soluzione concentrata di NaCl) e applicando corrente continua, all’anodo si ossida il cloruro a cloro gassoso, mentre al catodo l’acqua si riduce liberando idrogeno e lasciando in soluzione ioni ossidrile che, con il sodio, formano soda caustica. I reagenti sono economici — sale e acqua — ma i prodotti sono materie prime preziose: Cl₂, H₂ e NaOH.

2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

La reazione non è spontanea: va forzata fornendo energia elettrica. La variazione di energia libera è dell’ordine di alcune centinaia di kilojoule per mole, e si traduce in una tensione di cella teorica intorno ai 2,2 V. Per la stechiometria che lega corrente, tempo e massa prodotta si rimanda all’articolo dedicato alle leggi di Faraday: qui interessa il funzionamento del processo.

La cella a membrana a scambio ionico

Il cuore della tecnologia moderna è una membrana a scambio ionico che separa il comparto anodico da quello catodico. Questa membrana ha una proprietà decisiva: conduce gli ioni sodio (Na⁺), che attraversano dal lato anodico a quello catodico, ma è praticamente impermeabile agli ioni cloruro e ossidrile. Così il cloro prodotto all’anodo non si mescola con la soda formata al catodo, e si ottengono prodotti separati e puri.

La membrana è sottilissima, dello spessore di appena 0,1–0,2 mm, e deve resistere per anni in un ambiente chimicamente aggressivo mantenendo bassa resistenza elettrica, elevata selettività di trasporto e robustezza meccanica. Ha inoltre una bassa permeabilità agli ioni calcio e magnesio, motivo per cui la salamoia in ingresso va purificata con cura: tracce di durezza danneggerebbero la membrana.

Elettrodi e condizioni operative

Nella cella a membrana l’anodo è un cosiddetto anodo dimensionalmente stabile (DSA), tipicamente titanio rivestito di ossidi metallici, che resiste all’attacco del cloro senza consumarsi; il catodo è spesso un elettrodo a base di nichel Raney, molto attivo verso lo sviluppo di idrogeno. Le densità di corrente di esercizio sono dell’ordine di 3–4 kA/m², con tensioni di cella di circa 3–3,2 V.

Le tre vie storiche: diaframma, amalgama, membrana

Il processo cloro-soda si è realizzato storicamente in tre varianti. La cella a diaframma usa un setto poroso (un tempo in amianto) attorno al catodo: la pressione idrostatica spinge la salamoia attraverso il diaframma impedendo agli ossidrili di risalire, ma la soda prodotta resta contaminata da cloruro. La cella ad amalgama impiegava un catodo di mercurio liquido su cui il sodio si scioglieva, dando soda molto pura ma a costo di gravi rischi ambientali. La cella a membrana combina i pregi di entrambe — soda pura ed efficienza — eliminando mercurio e amianto, ed è la ragione per cui ha progressivamente sostituito le altre.

Perché serve una salamoia ultrapura

Un dettaglio operativo spesso sottovalutato è il pretrattamento della salamoia. La membrana a scambio cationico è sensibile agli ioni multivalenti: calcio, magnesio e altri cationi metallici si fissano nei siti di scambio, ne riducono la conducibilità e la selettività e ne accorciano drasticamente la vita. Per questo l’impianto prevede stadi di purificazione spinta — precipitazione, filtrazione e scambio ionico secondario — che portano la durezza a livelli di parti per miliardo prima dell’ingresso in cella.

Perché conta nella pratica

Cloro, soda caustica e idrogeno sono punti di partenza di intere filiere chimiche: dal PVC ai detergenti, dal trattamento acque alla carta. Conoscere come funziona la cella a membrana — perché serve una salamoia ultrapura, quali elettrodi resistono al cloro, quanto pesa la tensione di cella sul costo — è essenziale per chi opera in impianti cloro-soda o ne usa i prodotti, e per chi deve valutarne efficienza, sicurezza e impatto ambientale.

Domande frequenti

Quali prodotti si ottengono dal processo cloro-soda?

Tre prodotti di base: cloro gassoso all’anodo (dall’ossidazione del cloruro), idrogeno gassoso al catodo (dalla riduzione dell’acqua) e soda caustica (NaOH) in soluzione. I reagenti sono solo salamoia, cioè acqua e cloruro di sodio. È una delle elettrolisi industriali più importanti, alla base di numerose filiere chimiche.

Come funziona la cella a membrana?

I comparti anodico e catodico sono separati da una membrana polimerica a scambio cationico, spessa solo 0,1–0,2 mm, che lascia passare gli ioni sodio ma blocca cloruro e ossidrile. Così il cloro prodotto all’anodo non si mescola con la soda formata al catodo e si ottengono prodotti separati e puri, con un’efficienza superiore alle tecnologie precedenti.

Perché la cella a membrana ha sostituito quelle a mercurio e a diaframma?

Perché unisce efficienza e qualità eliminando i problemi delle altre. Consuma il 10–20% di energia in meno della cella a diaframma e dà una soda molto pura, ma senza il mercurio della cella ad amalgama né l’amianto dei diaframmi tradizionali. È quindi più economica, più pulita e più sicura, ed è oggi la tecnologia di riferimento.

Perché la salamoia deve essere ultrapura?

Perché la membrana a scambio ionico è molto sensibile agli ioni calcio e magnesio e ad altri cationi multivalenti, che si fissano nei suoi siti e ne riducono selettività e conducibilità, accorciandone la vita. La salamoia viene perciò purificata in più stadi fino a portare la durezza a livelli di parti per miliardo prima dell’ingresso in cella.

Quanta energia consuma la cella e quanto vale la tensione?

La tensione teorica è intorno a 2,2 V, ma una cella a membrana reale lavora a circa 3–3,2 V per via di sovratensioni e cadute resistive. La differenza tra valore teorico e reale determina il consumo energetico, che è la voce di costo dominante. Per il calcolo di massa ed energia in funzione della corrente si rimanda alle leggi di Faraday.