,

или после преобразования:

.

Учитывая, что число переноса катиона , получим:

.

На аноде выделяется молей газообразного хлора. Если принебречь объемом и и подсасываемого к хлору воздуха, то количество молей влаги, уносимой с хлор-газом в виде паров, составит:

,

где - общее давление влажного газа;

- парциальное давление паров воды в хлоре над анолитом.

Моляльность анолита можно определить из выражения:

или .

При .

На катоде образуется молей гидроокиси натрия и выделяется молей газообразного водорода, при этом на химическую реакцию расходуется молей воды. Количество воды, уносимой с водородом в виде паров воды, составит:

,

где – парциальное давление паров воды в водороде над католитом.

Содержание поваренной соли в католите определяется по разности между поступившим и разложившимся количествами:

.

Содержание воды в католите составит:

.

Моляльность католита (по ) составит:

,

А по :

.

Суммарная мольяность католита по и :

.

Степень изменения количества воды в электролите в процессе электролиза:

.

Чтобы перевести единицы концентрации из мольяльности в г/л () можно воспользоваться выражением:

,

где - моляльность раствора;

- плотность раствора;

- молекулярный вес растворенной соли.

Моляльность католита по поваренной соли и каустической соде составит:

,

.

Снижение парциального давления паров воды над электролитическими щелаками может быть приближенно принято равным сумме снижения парциального давления над соответствующими растворами гидроокиси натрия .

.

При таком подсчете парциальные давления паров воды над католитом мало отличаются от парциального давления над насыщенным раствором поваренной соли при той же температуре.

Если принять, что , то тогда получаем:

.

При парциальном давлении паров воды над электролитом выше 400–500 мм. рт. ст. унос паров воды резко возрастает. При парциальном давлении паров около 720 мм. рт. ст. теоретически с газами должно быть унесена вся вода из раствора. Поэтому при сильном повышении температуры электролиза происходит интенсивное испарение влаги, пересыщение раствора и выделения кристаллов соли, которые забивают поры диафрагмы и приводят к нарушению нормального процесса электролиза.

Материальный баланс элетролизера осложняется наличием примесей, например соды, щелочи и сульфатов, в мешающем электролизу растворе, протеканием процессов выделения на аноде кислорода и окисления графитовых анодов в образованием в основном двуокиси углерода, а также вторичных процессов растворения и гидролиза хлора в анолите и последующих реакций между растворенным хлором и ионами с образованием гипохлорита и хлората. Однако для практических целей приведенная выше приближенная схема расчета материального баланса дает достаточно точные результаты.

Образующийся в электролизере гипохлорит практически полностью восстанавливается на катоде с образованием исходного хлорида натрия. Количество хлората натрия, уходящего с катодными щелоками, не превышает обычно десятых долей процента от образовавшейся каустической соды. Поэтому в практических балансах электролизера эти процессы могут не учитываться. Расчет воды и образования двуокиси углерода за счет сгорания анодов в связи с выделением кислорода можно учесть приближенно, приняв, что снижение выхода по току связано лишь с разрядом ионов на анод.

Расход воды на разложение составит , а количество двуокиси углерода, образовавшегося от сгорания анодов, равно . При температуре 90–95 °С, поддерживаемой в современных электролизерах, потери воды на побочные процессы не превышает 0,5–1,0% общего расхода воды на химические процессы и испарение.

Заключение

В настоящее время едкая щёлочь и хлор вырабатываются тремя электрохимическими методами. Два из них – электролиз с твёрдым асбестовым или полимерным катодом (диафрагменный и мембранный методы производства), третий – электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым лёгким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути. Мембранный метод производства самый эффективный, наименее энергоемкий и наиболее экологичный, но и самый капризный, в частности, требует сырье более высокой чистоты.