กระบวนการคลอร์อัลคาไล (หรือคลอร์-อัลคาไลและคลอร์อัลคาไล ) เป็นกระบวนการทางอุตสาหกรรมสำหรับการอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ใน การ ผลิตคลอรีนและโซเดียมไฮดรอกไซด์ (โซดาไฟ) ^{[ 1 ]}ซึ่งเป็นสารเคมีพื้นฐานที่อุตสาหกรรมต้องการ ในปี 1987 มีการผลิตคลอรีนด้วยกระบวนการนี้ 35 ล้านตัน^{[ 2 ]}ในปี 2022 ปริมาณการผลิตเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 97 ล้านตัน คลอรีนและโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่ผลิตในกระบวนการนี้ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมเคมี

โดยปกติกระบวนการนี้จะดำเนินการในน้ำเกลือ (สารละลายโซเดียมคลอไรด์เข้มข้นในน้ำ) ซึ่งจะได้โซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ไฮโดรเจน และคลอรีน เมื่อใช้แคลเซียมคลอไรด์หรือโพแทสเซียมคลอไรด์ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีแคลเซียมหรือโพแทสเซียมแทนโซเดียม นอกจากนี้ยังมีกระบวนการที่เกี่ยวข้องอื่นๆ ที่ใช้โซเดียมคลอไรด์หลอมเหลวเพื่อให้ได้คลอรีนและโลหะโซเดียม หรือใช้ไฮโดรเจนคลอไรด์ ควบแน่น เพื่อให้ได้ไฮโดรเจนและคลอรีน

กระบวนการนี้มีการใช้พลังงานสูง ตัวอย่างเช่น ใช้ไฟฟ้าประมาณ 2,500 kWh (9,000 MJ) ต่อโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่ผลิตได้ 1 ตัน เนื่องจากกระบวนการนี้ให้ผลผลิต คลอรีนและโซเดียมไฮดรอกไซด์ในปริมาณ ที่เท่ากัน (โซเดียมไฮดรอกไซด์ 2 โมลต่อคลอรีน 1 โมล) จึงจำเป็นต้องหาวิธีใช้ประโยชน์จากผลิตภัณฑ์เหล่านี้ในสัดส่วนเดียวกัน สำหรับคลอรีนทุก 1 โมลที่ผลิตได้ จะมีไฮโดรเจน 1 โมลที่ผลิตได้ ไฮโดรเจนส่วนใหญ่นี้ใช้ในการผลิตกรดไฮโดรคลอริก แอมโมเนียไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์หรือถูกเผาเพื่อผลิตไฟฟ้าและ/หรือไอน้ำ^{[ 3 ]}

กระบวนการคลอรอัลคาไลถูกนำมาใช้ตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 และเป็นอุตสาหกรรมหลักในสหรัฐอเมริกายุโรปตะวันตกและญี่ปุ่น^{[ 4 ] [ 5 ]}ได้กลายเป็นแหล่งคลอรีนหลักในช่วงศตวรรษที่ 20 ^{[ 6 ]}กระบวนการเซลล์ไดอะแฟรมและกระบวนการเซลล์ปรอท ถูกนำมาใช้มานานกว่า 100 ปีแล้ว แต่เป็นมิตร ต่อสิ่งแวดล้อมน้อยเนื่องจากการใช้แอสเบสตอสและปรอทตามลำดับกระบวนการเซลล์เมมเบรนซึ่งพัฒนาขึ้นในช่วง 60 ปีที่ผ่านมา เป็นวิธีการที่เหนือกว่าด้วยประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ที่ดีขึ้น และไม่มีสารเคมีที่เป็นอันตราย^{[ 5 ]}

แม้ว่าการสร้างคลอรีนครั้งแรกโดยการแยกน้ำเกลือด้วยไฟฟ้าจะถูกยกให้เป็นผลงานของนักเคมีWilliam Cruikshankในปี 1800 แต่กว่า 90 ปีต่อมา วิธีการแยกน้ำเกลือด้วยไฟฟ้าจึงถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ได้สำเร็จ การผลิตในระดับอุตสาหกรรมเริ่มต้นขึ้นในปี 1892 ^{[ 7 ]}ในปี 1833 Faradayได้กำหนดกฎที่ควบคุมการแยกน้ำเกลือด้วยไฟฟ้า และมีการออกสิทธิบัตรให้กับ Cook และ Watt ในปี 1851 และให้กับ Stanley ในปี 1853 สำหรับการผลิตคลอรีนจากน้ำเกลือด้วยไฟฟ้า^{[ 7 ]}

มีการใช้กรรมวิธีการผลิตอยู่ 3 วิธี แม้ว่าวิธีการใช้เซลล์ปรอทจะผลิตโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่ปราศจากคลอรีน แต่การใช้ปรอทหลายตันทำให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมอย่างร้ายแรง ในวงจรการผลิตปกติ จะมีการปล่อยปรอทออกมาหลายร้อยปอนด์ต่อปี ซึ่งจะสะสมอยู่ในสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ คลอรีนและโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่ผลิตได้จากกระบวนการคลอรอัลคาไลแบบเซลล์ปรอทเองก็ปนเปื้อนด้วยปรอทในปริมาณเล็กน้อย ส่วนวิธีการใช้เยื่อและไดอะแฟรมไม่ใช้ปรอท แต่โซเดียมไฮดรอกไซด์มีคลอรีนอยู่ ซึ่งต้องกำจัดออกก่อน

กระบวนการผลิตคลอรอัลคาไลที่พบได้บ่อยที่สุดคือการใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ ( น้ำเกลือ ) ในเซลล์เมมเบรน โดยใช้ เมมเบรน เช่นNafion , Flemion หรือ Aciplex เพื่อป้องกันปฏิกิริยาระหว่างไอออนคลอรีนและไอออนไฮดรอกไซด์

น้ำเกลืออิ่มตัวถูกส่งเข้าไปในห้องแรกของเซลล์ เนื่องจากความเข้มข้นของไอออนคลอไรด์ในน้ำเกลือสูงกว่า ไอออนคลอไรด์จึงถูกออกซิได ซ์ ที่ขั้วบวก โดยสูญเสียอิเล็กตรอนและกลายเป็น ก๊าซ คลอรีน ( Aในรูป):

2Cl ⁻ → Cl₂+ 2 e ⁻

ที่ขั้วแคโทดไอออนไฮโดรเจนบวกที่ถูกดึงมาจากโมเลกุลของน้ำจะถูกรีดิวซ์ด้วยอิเล็กตรอนที่ได้จากกระแสไฟฟ้า ทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจน พร้อมกับปล่อย ไอออน ไฮดรอกไซด์เข้าสู่สารละลาย ( Cในรูป)

2 ชั่วโมง₂O + 2e ⁻ → H ₂ + 2OH ⁻

เยื่อแลกเปลี่ยนไอออน ที่ยอมให้ไอออน ผ่านได้ตรงกลางเซลล์จะยอมให้เฉพาะ ไอออน โซเดียม (Na ⁺ ) ผ่านไปยังห้องที่สองซึ่งจะทำปฏิกิริยากับไอออนไฮดรอกไซด์เพื่อผลิตโซดาไฟ (NaOH) ( Bในรูป): ^{[ 1 ]}

Na ⁺ + OH ⁻ → NaOH

ปฏิกิริยารวมสำหรับการแยกน้ำเกลือด้วยไฟฟ้ามีดังนี้:

2NaCl + 2 H₂O → Cl₂+ เอช₂+ 2NaOH

ในกระบวนการเซลล์ไดอะแฟรม จะมีสองช่องที่คั่นด้วยไดอะแฟรมที่ยอมให้ของเหลวผ่านได้ ซึ่งมักทำจากเส้นใยแอสเบสตอส น้ำเกลือจะถูกป้อนเข้าไปในช่องแอโนดและไหลไปยังช่องแคโทด เช่นเดียวกับเซลล์เมมเบรน ไอออนคลอไรด์จะถูกออกซิไดซ์ที่แอโนดเพื่อผลิตคลอรีน และที่แคโทด น้ำจะถูกแยกออกเป็นโซดาไฟและไฮโดรเจน ไดอะแฟรมจะป้องกันไม่ให้โซดาไฟทำปฏิกิริยากับคลอรีน น้ำเกลือโซดาไฟเจือจางจะออกจากเซลล์ โดยปกติแล้วโซดาไฟจะต้องถูกทำให้เข้มข้นถึง 50% และกำจัดเกลือออก ซึ่งทำได้โดยใช้กระบวนการระเหยด้วยไอน้ำประมาณสามตันต่อโซดาไฟหนึ่งตัน เกลือที่แยกออกจากน้ำเกลือโซดาไฟสามารถนำไปใช้ในการทำให้สารละลายเจือจางอิ่มตัวได้ คลอรีนมีออกซิเจนอยู่ด้วยและมักจะต้องทำให้บริสุทธิ์โดยการทำให้เป็นของเหลวและการระเหย

ในกระบวนการเซลล์ปรอท หรือที่รู้จักกันในชื่อกระบวนการแคสต์เนอร์-เคลเนอร์เซลล์อิเล็กโทรไลต์ "ภายนอก" แต่ละเซลล์ประกอบด้วยขั้วบวกที่จุ่มอยู่ในน้ำเกลือ ซึ่งลอยอยู่บนชั้นปรอท ส่วนเซลล์ "ภายใน" แต่ละเซลล์ประกอบด้วยขั้วลบในสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ ซึ่งลอยอยู่บนชั้นปรอทเดียวกัน ผนังที่กั้นระหว่างเซลล์มีช่องว่างอยู่ใต้พื้นผิวของชั้นปรอท ทำให้ปรอทสามารถไหลผ่านระหว่างเซลล์ได้ ในขณะที่ป้องกันไม่ให้สารละลายในน้ำไหลผ่านได้

ในเซลล์ "ด้านนอก" ไอออนคลอไรด์จะถูกออกซิไดซ์ที่ขั้วบวก ทำให้เกิดก๊าซคลอรีนซึ่งจะฟองออกมาจากเซลล์ ชั้นปรอททำหน้าที่เป็นขั้วลบ ที่นี่ไอออนโซเดียมในน้ำเกลือจะถูกรีดิวซ์และเกิดเป็นสารประกอบอะมั ลกั มกับปรอท เมื่ออยู่ในสารประกอบอะมัลกัมแล้ว อะตอมของโซเดียมก็จะสามารถเคลื่อนที่ไปยังเซลล์ "ด้านใน" ได้อย่างอิสระ

ในเซลล์ "ด้านใน" ชั้นปรอททำหน้าที่เป็นขั้วบวก อะตอมโซเดียมในอะมัลกัมจะถูกออกซิไดซ์และเข้าสู่สารละลายในน้ำ ในขณะเดียวกันที่ขั้วลบ น้ำจะถูกแยกออกเป็นก๊าซไฮโดรเจนและไอออนไฮดรอกไซด์

แบตเตอรี่ปรอทกำลังถูกทยอยเลิกใช้เนื่องจากความกังวลเกี่ยวกับความเป็นพิษสูงของปรอทและการเกิดพิษจากปรอทอันเนื่องมาจากมลภาวะจากแบตเตอรี่ปรอท เช่นที่เกิดขึ้นในแคนาดา (ดูโรคมินามาตะในออนแทรีโอ ) และญี่ปุ่น (ดูโรคมินามาตะ )

ปฏิกิริยาโดยรวมเริ่มต้นจะผลิตไฮดรอกไซด์และก๊าซไฮโดรเจนและคลอรีนด้วย: ^{[ 8 ]}

2 NaCl + 2 H ₂ O → 2 NaOH + H ₂ + Cl ₂

หากไม่มีเยื่อกั้น ไอออน OH⁻ ^ที่เกิดขึ้นที่แคโทดจะสามารถแพร่กระจายไปทั่วอิเล็กโทรไลต์ได้อย่างอิสระ เมื่ออิเล็กโทรไลต์มีความเป็นเบส มากขึ้น เนื่องจากการเกิด OH⁻ ^{ไอออน}_Cl₂ จะเกิดขึ้นจากสารละลาย น้อยลงเนื่องจากเริ่มเกิดปฏิกิริยาไม่สมดุลเพื่อสร้างไอออนคลอไรด์และไฮโปคลอไรต์ที่แอโนด:

Cl ₂ + 2 NaOH → NaCl + NaClO + H ₂ O

ยิ่งมีโอกาสที่ Cl₂ _จะทำปฏิกิริยากับ NaOH ในสารละลายมากเท่าใด ปริมาณ Cl₂ ที่เกิดขึ้นที่ผิวสารละลายก็จะยิ่งน้อยลง_และการเกิดไฮโปคลอไรต์ก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิของสารละลาย ระยะเวลาที่โมเลกุล Cl₂ _{สัมผัส}กับสารละลาย และความเข้มข้นของ NaOH

ในทำนองเดียวกัน เมื่อความเข้มข้นของไฮโปคลอไรต์เพิ่มขึ้น จะเกิดคลอเรตขึ้นจากไฮโปคลอไรต์ด้วย:

3 NaClO → NaClO ₃ + 2 NaCl

ปฏิกิริยานี้จะเร่งตัวขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 60 °C ปฏิกิริยาอื่นๆ เกิดขึ้น เช่น การแตกตัวเป็นไอออนของน้ำเองและการสลายตัวของไฮโปคลอไรต์ที่แคโทด อัตราของปฏิกิริยาหลังขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่นการแพร่และพื้นที่ผิวของแคโทดที่สัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์^{[ 9 ]}

หากกระแสไฟฟ้าถูกตัดขณะที่แคโทดจุ่มอยู่ในน้ำ แคโทดที่ถูกกัดกร่อนด้วยไฮโปคลอไรต์ เช่น แคโทดที่ทำจากสแตนเลส จะละลายในเซลล์ที่ไม่มีการแบ่งกั้น

หากการผลิตก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจนไม่ใช่สิ่งสำคัญอันดับแรก การเติมโซเดียมโครเมตหรือโพแทสเซียมโครเมต 0.18% ลงในอิเล็กโทรไลต์จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตผลิตภัณฑ์อื่นๆ^{[ 9 ]}

เนื่องจากลักษณะการกัดกร่อนของการผลิตคลอรีน ขั้วบวก (ซึ่งเป็นที่ที่คลอรีนถูกสร้างขึ้น) จะต้องไม่ทำปฏิกิริยาและทำจากวัสดุต่างๆ เช่นโลหะแพลทินัม^{[ 10 ]}กราไฟต์ (เรียกว่าพลัมบาโกในสมัยของฟาราเดย์) ^{[ 10 ]}หรือไทเทเนียมเคลือบ แพลทินัม ^{[ 11 ]}ขั้วบวกไทเทเนียมที่หุ้มด้วยออกไซด์โลหะผสม (เรียกอีกอย่างว่าขั้วบวกที่มีความเสถียรทางมิติ) เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมในปัจจุบัน ในอดีต แพลทินัมแมกเนไทต์ ตะกั่ว ไดออกไซด์^{[ 12 ]}แมงกานีสไดออกไซด์และเฟอร์โรซิลิคอน (ซิลิคอน 13–15% ^{[ 13 ]} ) ก็เคยถูกใช้เป็นขั้วบวกเช่นกัน[ ^{14 ] โลหะ}ผสมแพลทินัมกับอิริเดียมมีความทนทานต่อการกัดกร่อนจากคลอรีนมากกว่าแพลทินัมบริสุทธิ์^{[ 14 ] [ 15 ]}ไทเทเนียมที่ไม่ได้หุ้มไม่สามารถใช้เป็นขั้วบวกได้ เพราะมันจะเกิดปฏิกิริยาอะโน ไดซ์ ทำให้เกิดออกไซด์ที่ไม่นำไฟฟ้าและเกิดการพาสซิเวต กราไฟต์จะค่อยๆ สลายตัวเนื่องจากการเกิดก๊าซอิเล็กโทรไลต์ภายในจากลักษณะที่เป็นรูพรุนของวัสดุ และการเกิดคาร์บอนไดออกไซด์เนื่องจากการออกซิเดชันของคาร์บอน ทำให้เกิดอนุภาคกราไฟต์ขนาดเล็กแขวนลอยอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ซึ่งสามารถกำจัดออกได้โดยการกรอง ขั้วแคโทด (ที่เกิดไฮดรอกไซด์) สามารถทำจากไทเทเนียมบริสุทธิ์ กราไฟต์ หรือโลหะที่ออกซิไดซ์ได้ง่ายกว่า เช่นสแตนเลสหรือนิกเกล

ผลประโยชน์ของผู้ผลิตผลิตภัณฑ์คลอร์อัลคาไลได้รับการเป็นตัวแทนในระดับภูมิภาค ระดับชาติ และระดับนานาชาติโดยสมาคมต่างๆ เช่นEuro ChlorและThe World Chlorine Council

• วิศวกรรมไฟฟ้าเคมี
• อิเล็กโทรดกระจายแก๊ส
• กระบวนการโซลเวย์ (Solvay process)เป็นวิธีการทางอุตสาหกรรมที่คล้ายคลึงกันในการผลิตโซเดียมคาร์บอเนตจากแคลเซียมคาร์บอเนตและโซเดียมคลอไรด์

• Bommaraju, Tilak V.; Orosz, Paul J.; Sokol, Elizabeth A. (2007). "การแยกน้ำเกลือด้วยไฟฟ้า" สารานุกรมเคมีไฟฟ้า.คลีฟแลนด์: มหาวิทยาลัยเคสเวสเทิร์นรีเซิร์ฟ.

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการคลอร์อัลคาไลในวิกิมีเดียคอมมอนส์
• ภาพเคลื่อนไหวแสดงกระบวนการสร้างเซลล์เยื่อหุ้มเซลล์
• ภาพเคลื่อนไหวแสดงกระบวนการของเซลล์ไดอะแฟรม