فرآیند کلر‌آلکالی

فرآیند کلر‌آلکالی یا Chlor-alkali process به مجموعهٔ فرآیندهای صنعتی گفته می‌شود که در آن از الکترولیز محلول آب‌نمک برای تولید سه محصول اصلی استفاده می‌گردد: گاز کلر (Cl₂)، سود سوزآور (سدیم هیدروکسید، NaOH) و گاز هیدروژن (H₂). این فرآیند از نظر صنعتی بسیار مهم است زیرا محصولات آن خوراک پایه‌ای برای صنایع تولید PVC، مواد شوینده، صنایع دارویی، تصفیه آب و سایر صنایع شیمیایی به‌شمار می‌روند. ^[۱]

تاریخچه

اولین تلاش‌ها برای تولید کلر از طریق الکترولیز محلول آب‌نمک به سال ۱۸۰۰ و دانشمند ویلیام کرویکشانک نسبت داده می‌شود، اما تولید صنعتی و موفق کلر با استفاده از این روش حدود ۹۰ سال بعد و در سال ۱۸۹۲ آغاز شد. قوانین الکترولیز محلول‌های آبی توسط فارادی در سال ۱۸۳۳ تدوین شد و در نیمهٔ قرن نوزدهم، حق اختراع‌های متعددی برای تولید کلر به‌صورت تجاری صادر گردید. فناوری‌های اصلی که در طول زمان مورد استفاده قرار گرفتند عبارت‌اند از سلول‌های جیوه‌ای (Mercury cell)، سلول‌های دیافراگمی (Diaphragm cell) و در دهه‌های اخیر سلول‌های غشایی (Membrane cell). به‌دلیل مسائل زیست‌محیطی مرتبط با جیوه و همچنین پیشرفت‌های فنی، فناوری‌های کمتر پاک‌تر (مانند سلول‌های جیوه‌ای و برخی سلول‌های دیافراگمی مبتنی بر آزبست) تا حد زیادی در کشورهای توسعه‌یافته کنار گذاشته شده‌اند.^[۲]

واکنش‌های شیمیایی (خلاصه)

فرآیند الکترولیز آب‌نمک در یک سلول ساده را می‌توان با معادلات نیم‌واکنش آند و کاتد خلاصه کرد:

آند (اکسیداسیون):

⁻2Cl⁻ (aq) → Cl₂ (g) + 2 e

کاتد (کاهش، در حضور آب):

2H⁺ (aq) + 2 e⁻ → H₂ (g)

ترکیب آیون‌ها (در حضور Na⁺) منجر به تشکیل NaOH می‌شود و محصولات نهایی معمولاً به‌صورت گاز کلر، محلول سود (که معمولاً به غلظت‌های صنعتی تغلیظ می‌شود) و هیدروژن عرضه یا به‌کار گرفته می‌شوند.

انواع سلول‌ها (تکنولوژی‌ها)

۱. سلول جیوه‌ای (Mercury cell)

در این روش جیوه به‌عنوان کاتد مایع عمل می‌کند؛ سدیم تولیدشده به‌صورت آمالگام با جیوه حل شده و سپس آمالگام با آب واکنش داده و NaOH آزاد می‌شود. این روش از نظر بازدهی در گذشته محبوب بود اما به‌دلیل آلودگی و سمیت جیوه و پیامدهای زیست‌محیطی، در بسیاری از کشورها بازنشسته یا در مسیر حذف قرار گرفته است. پیمان میناماتا و برنامه‌های بین‌المللی کاهش جیوه تأکید بر ترک این فناوری دارند.^[۳]

۲. سلول دیافراگمی (Diaphragm cell)

از یک دیافراگم نفوذپذیر بین آند و کاتد استفاده می‌شود که از اختلاط مستقیم محصولات جلوگیری می‌کند اما اجازهٔ عبور یون‌ها را می‌دهد. در گذشته از آزبست به‌عنوان مادهٔ دیافراگم استفاده می‌شد که به‌خاطر نگرانی‌های سلامتی و زیست‌محیطی نیز جایگزین شد یا بهبود یافت.^[۴]

۳. سلول غشایی (Membrane cell)

فناوری رایج و رو به‌گسترش که در آن از غشاهای تبادل یونی پلیمری (مثلاً Nafion و انواع دیگر) استفاده می‌شود تا فقط یون‌های سدیم عبور کنند و کیفیت NaOH بهتر و آلودگی کمتر باشد. سلول‌های غشایی معمولاً از نظر انرژی و زیست‌محیطی برتر شناخته می‌شوند و در کارخانه‌های جدید روش ترجیحی است.^[۵]

کاربردها

محصولات حاصل، کاربردهای وسیعی دارند:

کلر (Cl₂): تولید PVC، حلال‌ها، سفیدکننده‌ها، تولید مونومرهای کلردار و ضدعفونی‌کننده‌ها.
سدیم هیدروکسید (NaOH): تولید صابون و مواد شوینده، صنایع کاغذ و نساجی، استخراج آلومینیوم، تصفیه آب، و دیگر فرآیندهای شیمیایی.
هیدروژن (H₂): خوراک برای تولید اسید هیدروکلریک، آمونیاک، هیدروژناسیون و استفادهٔ به‌عنوان سوخت یا منبع انرژی.

مسائل زیست‌محیطی و اصول مقرراتی^[۶]^[۷]

جیوه: استفادهٔ صنعتی از جیوه در برخی واحدهای قدیمی، موجب آلودگی محیطی و مخاطرات بهداشتی شده است. پیمان میناماتا و برنامه‌های بین‌المللی و منطقه‌ای کشورها را به کاهش یا حذف کاربرد جیوه در صنعت کلر‌آلکالی تشویق می‌کنند.
مصرف برق و اثرات اقلیمی: تولید کلر و NaOH بسیار انرژی‌بر است؛ محدودهٔ انرژی متداول برای فناوری‌های مرسوم (بسته به نوع سلول و پیکربندی) معمولاً چند هزار کیلووات‌ساعت به ازای هر تن محصول است و به‌کارگیری فناوری‌های کارآمد و برق با شدت کربنی پایین برای کاهش اثرات گلخانه‌ای اهمیت دارد. طبق مستندات مرجع، محدودهٔ انرژی مرتبط با بهترین روش‌ها کمتر از ~۳۰۰۰ کیلووات‌ساعت به‌ازای هر تن کلر/NaOH گزارش شده‌است.
مدیریت پسماند و انتشار کلر: انتشار تصادفی کلر، نشت آمالگام جیوه و پساب‌های حاوی یون‌ها و مواد جانبی نیازمند کنترل دقیق و استانداردهای ایمنی است. بسیاری از کشورها استانداردها و مجوزهایی برای کنترل انتشار و تبدیل فناوری وضع کرده‌اند.

بازار و وضعیت جهانی^[۸]

ظرفیت و تولید جهانی کلر-آلکالی در دههٔ اخیر بسیار بزرگ است؛ تخمین‌های بازار و گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهد تولید سالانه در سطح جهانی در محدودهٔ حدود ۹۰ میلیون تن (یا مقادیر نزدیک) قرار دارد و بخش عمدهٔ تولید در آسیا (از جمله چین، هند) متمرکز است. چین به‌عنوان بزرگ‌ترین تولیدکننده و مصرف‌کنندهٔ کلر شناخته می‌شود. روند کلی بازار شامل رشد تدریجی تقاضا برای محصولات پایین‌دستی و حرکت صنعت به‌سمت فناوری‌های کم‌آلاینده و کم‌مصرف انرژی است.

تولیدکنندگان بزرگ جهانی

برخی از شرکت‌های بزرگ جهانی در صنعت کلر-آلکالی عبارتند از:

Dow
Formosa Plastics Corporation
Occidental Petroleum Corporation
Olin Corporation
Westlake Chemicals Corporation

صنعت کلر‌آلکالی در ایران

ایران دارای چندین واحد تولیدی فعال در بخش کلر‌آلکالی است که شرکت‌هایی مانند کلر پارس (Chlor Pars)، کلران (Chloran) و نیروکلر (Nirou Chlor) از تولیدکنندگان شناخته‌شدهٔ داخلی‌اند؛ بیشتر واحدهای تولید کلر در ایران به فناوری‌های غشایی مهاجرت کرده‌اند تا مصرف انرژی و ریسک‌های زیست‌محیطی را کاهش دهند.

جستارهای وابسته

منابع

↑ "The Chlor-Alkali Process | INEOS Electrochemical Solutions". www.ineos.com (به انگلیسی). Retrieved 2025-09-21.
↑ energysta. "Chlor-Alkali_Guide" (PDF). www.energystar.gov (به انگلیسی).
↑ minamataconvention. "Minamata_LAC_EN" (PDF). minamataconvention.org (به انگلیسی).
↑ "New Analysis: 2021 TECH Program - Chlor-Alkali". www.nexanteca.com (به انگلیسی). 2021-06-25. Retrieved 2025-09-21.
↑ energystar. "Chlor-Alkali_Guide" (PDF). www.energystar.gov (به انگلیسی).
↑ minamataconvention. "Minamata_LAC_EN" (PDF). minamataconvention.org (به انگلیسی).
↑ eippcb.jrc.ec.europa. "superseded_cak_bref" (PDF). eippcb.jrc.ec.europa.eu (به انگلیسی).
↑ «Chlor-Alkali Market - Size, Share, Industry Forecast Report [Latest]». MarketsandMarkets. دریافت‌شده در ۲۰۲۵-۰۹-۲۱.

[1] "The Chlor-Alkali Process | INEOS Electrochemical Solutions". www.ineos.com (به انگلیسی). Retrieved 2025-09-21.

[2] rgysta. "Chlor-Alkali_Guide" (PDF). www.energystar.gov (به انگلیسی).

[3] taconvention. "Minamata_LAC_EN" (PDF). minamataconvention.org (به انگلیسی).

[4] "New Analysis: 2021 TECH Program - Chlor-Alkali". www.nexanteca.com (به انگلیسی). 2021-06-25. Retrieved 2025-09-21.

[5] rgystar. "Chlor-Alkali_Guide" (PDF). www.energystar.gov (به انگلیسی).

[6] taconvention. "Minamata_LAC_EN" (PDF). minamataconvention.org (به انگلیسی).

[7] .jrc.ec.europa. "superseded_cak_bref" (PDF). eippcb.jrc.ec.europa.eu (به انگلیسی).

[8] «Chlor-Alkali Market - Size, Share, Industry Forecast Report [Latest]». MarketsandMarkets. دریافت‌شده در ۲۰۲۵-۰۹-۲۱.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]