塩素は塩（塩水）から3つの主要技術を通じて生産されます。ヨーロッパでは、イオン交換膜法が現在85%を占め、続いて隔膜電解法が10%であり、水銀電解法は完全に廃止されています（2020年以降）。その他の小規模技術が塩素アルカリ生産の残りの5%を占めています。
イオン交換膜法を通じて塩素を生産する際、塩水の純度が非常に重要です。カルシウムやマグネシウムなどの不純物の存在は、イオン交換膜の性能と寿命を短くしたり、電極を損傷したりする可能性があります。イオン交換膜の部分的な閉塞は、電流効率の低下による電力消費量の増加とイオン交換膜の交換に関連する多大な費用がかかります。
このプロセスアプリケーションノートは、塩素と苛性ソーダの生産に使用される塩水中のカルシウムとマグネシウムの不純物（硬度として知られる）を監視することに焦点を当てています。オンラインプロセス分析を利用することで、不純物除去プロセスに関する重要な情報をタイムリーに取得し、高価なイオン交換膜の閉塞を回避することができます。
塩素と苛性ソーダは、いくつかの市場（例：紙・パルプ、石油化学、製薬）の生産プロセスで原料として使用されます。クロル・アルカリプロセスは、塩化ナトリウム溶液（つまり塩水）の電解を通じて塩素と苛性ソーダを生産します（反応1）。このプロセスは、世界で生産される塩素の95%を占めています[2]。水素（H2）はクロル・アルカリプロセスの副産物であり、他の化学物質（例：HCl、NH3、H2O2、CH3OHなど）を生産するために使用されるか、蒸気や電力を生産するためのユーティリティとして使用されることがあります。
ヨーロッパで最も一般的に適用される電解技術はイオン交換膜技術（85%）です[1]。すべての新しいプラントは、塩水のイオン交換膜による電解法に基づいており、他の2つの主要技術のように水銀やアスベストを含んでいません。
塩水の精製は、高価なイオン交換膜を保護し、電解プロセスの効率を最適化するために避けられないステップです。不純物であるカルシウム（Ca2+）とマグネシウム（Mg2+）（硬度として知られる）の濃度は、2つの処理ステップで減少させます。
水酸化ナトリウムと炭酸ナトリウムによる一次処理の後、不純物（CaCO3、Mg(OH)2）は沈殿・フィルターろ過され、精製された塩水は電解プロセスの前にイオン交換樹脂（二次処理）を通過します（図1）。
沈殿およびイオン交換樹脂処理の効果は、二次処理開始前後の硬度を正確に測定することで計算できます。
塩水のイオン交換樹脂による二次処理後、不純物濃度を1/1000に低減できます。上流工程における塩水品質の管理は、電解膜の閉塞やイオン交換膜の早期消耗による運転停止といったコストのかかる問題を克服するのに役立ちます。そのため、電解プロセスの下流工程での損傷を防ぐためには高純度な塩水中の硬度測定が不可欠です。イオン交換膜が汚染された場合、非常にコストがかかる修復作業が必要となります。
従来、塩水は実験室での滴定（または光度測定）やICPによって分析されていました。しかし、このメソッドではタイムリーな結果が得られず、ラボでの分析結果をプロセスに適用するためには人の介入が必要です。オンラインプロセス分析は、実験室での長い待ち時間なしに塩水の品質を常に監視し、より正確で代表的な結果を工場制御室に直接提供します。
塩水の品質は、イオン交換膜の閉塞やイオン交換樹脂の早期消耗による運転停止を避けるために、常にモニタリングしなければなりません。メトロームのプロセスアナライザーは、プロセスの複数の段階で使用でき（図1）、mg/L (ppm)オーダーの高い硬度から高純度な塩水中のμg/L (ppb)オーダーの非常に低い硬度まで対応します。
イオン交換樹脂による二次処理前の硬度の上流管理は、通常EDTA滴定法によって測定され、変曲点は色指示薬を添加し光度滴定プローブによって測定されます（図2）。二次処理後に存在する微量の硬度は、通常色指示薬を使用して吸光度によって測定されます（図3）。
オンライン分析は信頼できるソリューションであり、非常に低い検出限界と非常に正確な結果を提供し、高価な会社資産をリアルタイムで保護します。メトロームプロセスアナリティクスのプロセスアナライザーは、塩水中の全硬度濃度を24時間監視し、イオン交換樹脂の劣化・異常が見られる場合に自動的にアラートを送信し、イオン交換膜が影響を受ける前に迅速な対応を可能にします。
クロル・アルカリプロセスには、硬度以外にもアルカリ濃度、炭酸塩濃度、水酸化ナトリウム濃度、塩酸濃度、鉄濃度、シリカ、アルミナ、アンモニア、ヨウ素酸塩、塩化物イオン、ストロンチウム、バリウム、塩素(遊離, 全)など他にも様々な分析用途があります。
| 分析対象 | 濃度範囲 | 検出下限 |
|---|---|---|
| イオン交換樹脂処理前 | ||
| Ca2+ | 0–20 mg/L | 0.05 mg/L |
| Mg2+ | 0–10 mg/L | 0.18 mg/L |
| イオン交換樹脂処理後 | ||
| Ca2+ | 0–20 μg/L | 0.4 μg/L |
| Mg2+ | 0–20 μg/L | 0.4 μg/L |
- より安全な作業環境と自動サンプリング
- より迅速なプロセス制御によるイオン交換膜寿命の延長
- イオン交換効率のオンラインモニタリングによる最終製品品質（NaOH）の向上
- 完全自動診断 - 塩水中の不純物が設定された濃度範囲を外れた場合の自動アラーム
- How Are Chlorine and Caustic Soda Made? Euro Chlor 17.
- Euro Chlor. Chlor-Alkali Industry Review; Technical report; Euro Chlor 17, 2019.
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