صنعت مواد شیمیایی و پتروشیمی فصل دوم

• 0 Comments

صنایع شیمیایی، مجموعه ای از فرآیندها، عملیات و سازمان هایی هستند که در زمینه تولید انواع مواد شیمیایی فعالیت می کنند.

- نویسنده : به نقل از : britannica.com

پتاسیم
ساده ترین قسمت این نمودار قسمتی است که پتاسیم را نشان می دهد. عنصر پتاسیم از نظر فراوانی در پوسته زمین هفتم است، تقریباً به همان ترتیب سدیم که از نظر خواص بسیار شبیه به آن است. اگرچه سدیم به آسانی در کلرید سدیم موجود در اقیانوس ها وجود دارد، بیشتر پتاسیم به نسبت های کوچکی در تعداد زیادی از تشکیلات معدنی موجود است که از نظر اقتصادی نمی توان آن را استخراج کرد. هنگامی که استفاده از نمک های پتاسیم به عنوان کود در نیمه دوم قرن نوزدهم آغاز شد، اعتقاد بر این بود که آلمان در انحصار ذخایر در استاسفورت است، اما بسیاری از ذخایر قابل کار نمک پتاسیم بعداً در سایر نقاط جهان یافت شد. ذخایر جهانی برای هزاران سال کافی است، با ذخایر بزرگ در اتحاد جماهیر شوروی، کانادا (ساسکاچوان) و آلمان (شرق و غرب).

کلرید پتاسیم شکل تجاری اصلی پتاس است و مقداری نیترات پتاسیم نیز تولید می شود. حدود 90 درصد از تولید این ها به کود می رسد. برای مقاصد دیگر، نمک های سدیم مشابه ارزان تر هستند، اما برای چند مورد خاص، پتاسیم مزیت دارد. برخی از مصارف سرامیکی به پتاسیم نیاز دارند و بی کربنات پتاسیم در اطفای حریق موثرتر از بی کربنات سدیم است.

فسفر
فسفر تصویر پیچیده تری را ارائه می دهد. به غیر از کود، کاربردهای زیادی دارد. تا حد زیادی بزرگترین منبع سنگ فسفات است، اگرچه برخی از سنگ آهن فسفاته استفاده می شود، که از آن فسفر به عنوان یک محصول جانبی از سرباره به دست می آید. مانند پتاسیم، ذخایر گسترده ای وجود دارد. بزرگترین ذخایر در شمال آفریقا (مراکش، الجزایر، تونس)، ایالات متحده (عمدتا فلوریدا) و اتحاد جماهیر شوروی است، اما در بسیاری از کشورهای دیگر نیز ذخایر قابل توجهی وجود دارد.

سنگ فسفات در ذخایر با منشا رسوبی یافت می شود که در اصل در بسترهای کف اقیانوس قرار گرفته است. سنگ عمدتاً از تری کلسیم فسفات نامحلول به همراه برخی مواد دیگر از جمله فلوئور تشکیل شده است. برای استفاده به عنوان کود، فسفات باید به شکلی تبدیل شود که در آب حل شود، حتی اگر اندکی باشد.

اسید فسفریک (H3PO4) دارای سه اتم هیدروژن است که همه آنها با یک فلز قابل تعویض هستند. تری کلسیم فسفات، که در آن هر سه اتم هیدروژن با کلسیم جایگزین می شود، باید به شکل محلول، مونوکلسیم فسفات، که در آن تنها یک اتم هیدروژن با کلسیم جایگزین می شود، تبدیل شود. این تبدیل توسط اسید سولفوریک انجام می شود که سنگ فسفات را به سوپر فسفات تبدیل می کند که به طور گسترده به عنوان کود استفاده می شود. این عملیات به تناژهای زیاد اسید سولفوریک نیاز دارد.

صنعت کود نه تنها تولید مواد شیمیایی مناسب، بلکه توزیع، رساندن مواد مناسب به مکان مناسب در زمان مناسب است. کودها به صورت مرکزی ساخته می شوند اما باید در یک منطقه کشاورزی بزرگ توزیع شوند. یک کارخانه کود معمولاً یک تأسیسات بزرگ است که با سیلوهای ذخیره عظیم مشخص می شود. این محصول در تمام طول سال تولید می شود، اما به فضای قابل توجهی برای نگهداری آن نیاز دارد تا چند هفته ای که در طی آن در زمین های کشاورزی توزیع می شود.

وزن سوپر فسفات با مقدار اسید سولفوریک اضافه شده از سنگ فسفات اصلی بیشتر است. سوپر فسفات همچنین حامل وزن مرده سولفات کلسیم است که در فرآیند تولید تشکیل می شود. این وزن مرده را می توان با جایگزینی اسید سولفوریک با اسید فسفریک (که خود از اثر اسید سولفوریک روی سنگ فسفات به دست می آید و به دنبال آن جداسازی فرآورده ها به دست می آید، یا در غیر این صورت توسط یک فرآیند کوره الکتریکی) کاهش داد. این فرآیند منجر به سوپر فسفات سه گانه می شود که در آن تمام کلسیم موجود در سنگ فسفات به صورت مونوفسفات کلسیم ظاهر می شود. محتوای مفید کود، که به صورت درصد اکسید فسفر بیان می شود، از 20 درصد در سوپر فسفات معمولی به حدود 45 درصد در واریته سه گانه افزایش می یابد و در نتیجه مقدار موادی که باید برای تهیه آن توزیع شود، بهتر از دو برابر کاهش می یابد. مقدار مشخصی از اکسید مفید

به جای استفاده از اسید سولفوریک یا فسفریک برای تصفیه سنگ فسفات، می توان از اسید نیتریک استفاده کرد. یکی از محصولات حاصل، نیترات کلسیم، خود یک کود است، بنابراین آنچه به دست می آید یکی از انواع کودهای مخلوط است. به جای خنثی کردن اسید فسفریک با کلسیم، که چیزی جز وزن مرده ایجاد نمی کند، می توان از آمونیاک استفاده کرد که فسفات آمونیوم می دهد، که در آن هر دو عنصر عناصر کود را تشکیل می دهند. چنین پیشرفت هایی در کودها به طور مداوم انجام می شود.

بسیاری از ترکیبات دیگر فسفر استفاده می شود. یک گروه از اسید فسفریک و فسفات های مختلف به دست آمده از آن تشکیل شده است. خود این اسید به دلیل طعم دلپذیرش هنگام شیرین شدن و ارزش غذایی آن در نوشابه ها استفاده می شود. سایر کاربردهای غذایی شامل استفاده از دی سدیم فسفات در پنیر فرآوری شده است. و فسفات در بکینگ پودر، ضد شعله و تصفیه آب دیگ بخار در کارخانه های بخار. یکی از کاربردهای مهم برخی از فسفات ها در مواد شوینده است که در زیر مورد بحث قرار می گیرد.

فسفر عنصری در بسیاری از اشکال آلوتروپیک وجود دارد. فسفر سفید در سم جوندگان و توسط ارتش برای تولید دود استفاده می شود. فسفر قرمز، نسبتاً بی ضرر، در کبریت استفاده می شود. فرو فسفر، ترکیبی از فسفر با آهن، به عنوان یک عنصر در فولاد کم آلیاژ با استحکام بالا استفاده می شود. علاوه بر این، بسیاری از ترکیبات آلی فسفر کاربردهای متفاوتی دارند، از جمله آنهایی که به عنوان افزودنی برای بنزین و روغن روان کننده، به عنوان نرم کننده برای پلاستیک ها که در غیر این صورت به طور نامناسبی سفت و سخت خواهند بود، و در برخی موارد، به عنوان حشره کش های قوی مرتبط با سموم عصبی هستند.

نیتروژن
تولید نیتروژن نه تنها یکی از شاخه های اصلی صنعت کود است، بلکه بخش مهمی از صنعت شیمیایی را به طور کلی باز می کند.

کود مزرعه مدت‌ها کود نیتروژنی کافی برای کشاورزی فراهم می‌کرد، اما در اواخر قرن نوزدهم متوجه شد که کشاورزی از این منبع بیشتر شده است. مقدار معینی از سولفات آمونیوم به عنوان محصول جانبی کربنی شدن زغال سنگ در دسترس بود و ذخایر بزرگ نیترات سدیم کشف شده در شیلی برای مدتی کمک کرد. با این حال، مشکل دوربرد عرضه تا قبل از جنگ جهانی اول حل نشد، زمانی که تحقیقات فریتز هابر در آلمان، روش سنتز آمونیاک را که اصولاً امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد، به بهره برداری تجاری رساند. انگیزه فوری این پیشرفت بزرگ، نیاز آلمان به منبع بومی نیتروژن برای مواد منفجره نظامی بود. ارتباط نزدیک بین استفاده از نیتروژن برای کودها و مواد منفجره تا به امروز ادامه دارد.

از آنجایی که هوا 78 درصد نیتروژن است، در هر اینچ مربع از سطح زمین کمی بیش از 11 پوند نیتروژن وجود دارد. نیتروژن، با این حال، یک عنصر نسبتا بی اثر است. ترکیب آن با هر عنصر دیگری دشوار است. هابر با استفاده از فشار بالا، دماهای نسبتاً بالا و یک کاتالیزور موفق شد نیتروژن را با هیدروژن ترکیب کند.

هیدروژن آمونیاک (NH3) معمولاً از تجزیه آب (H2O) به دست می آید. این فرآیند به انرژی نیاز دارد که در برخی موارد از طریق الکتریسیته تامین می شود، اما اغلب از سوخت های فسیلی تامین می شود. در برخی موارد هیدروژن مستقیماً از سوخت فسیلی و بدون تجزیه آب به دست می آید.

هابر از کک به عنوان سوخت استفاده کرد. کربن می‌تواند یا به دی‌اکسید کربن بسوزد یا در صورت کوتاهی عرضه هوا، به مونوکسید کربن، با فرآیندی به نام واکنش گاز تولیدکننده. محصول گازی مخلوطی از مونوکسید کربن با نیتروژنی است که در ابتدا در هوا بود.

کک داغ را نیز می توان با بخار حرارت داد تا مونوکسید کربن و هیدروژن تولید کند که مخلوطی به نام گاز آب است. همچنین می توان با عبور دادن گاز آب با بخار بیشتر از روی کاتالیزور، واکنش جابجایی آب-گاز را انجام داد و هیدروژن و دی اکسید کربن بیشتری تولید کرد. دی اکسید کربن با حل کردن آن در آب با فشار حدود ده اتمسفر حذف می شود. همانطور که در زیر ذکر شده است می توان از آن به طور مستقیم استفاده کرد. با شروع از گاز آب، و تبدیل نسبت معینی از مونوکسید کربن به دی اکسید کربن و هیدروژن، می توان به مخلوطی از مونوکسید کربن و هیدروژن به هر نسبتی رسید.

گاز سنتز
در شکل 1 واژه گاز سنتز به عنوان منبع دو محصول آمونیاک و متانول نشان داده شده است. این گاز سنتز در دو مورد کاملاً یکسان نیست، اما ارتباط نزدیکی با هم دارند. مخلوط مونوکسید کربن و هیدروژن که در بالا توضیح داده شد، گاز سنتز است که منبع متانول است. اما آمونیاک به نیتروژن نیاز دارد که از گاز تولید کننده با وادار کردن آن به واکنش جابجایی آب-گاز و تولید هیدروژن به دست می آید. آمونیاک به هیدروژن بسیار بیشتری نیاز دارد که از گاز آب در معرض تغییر آب به گاز به دست می آید. و بدین ترتیب، با اختلاط مناسب، گاز سنتز آمونیاک دقیقاً با ترکیب مناسب به دست می آید.

شرح فوق شرح ساده شده ای از چگونگی تولید گاز سنتز، چه برای آمونیاک و چه برای متانول، از سوخت فسیلی به عنوان منبع انرژی است، اما ایده ای از تطبیق پذیری این عملیات به دست می دهد. تغییرات احتمالی زیادی در جزئیات وجود دارد که عمدتاً به سوخت خاصی که استفاده می شود بستگی دارد. صنعت نیتروژن، که از مدت کوتاهی پس از جنگ جهانی اول به طور پیوسته رشد کرده است، در اصل عمدتاً بر پایه کک، از زغال سنگ یا زغال سنگ قهوه ای (زغال سنگ قهوه ای) بود. فرآورده های نفتی به عنوان سوخت فسیلی به تدریج تغییر کرده است. همانطور که در مورد بسیاری از شاخه های دیگر صنایع شیمیایی صادق است، آخرین روند حرکت به سمت گاز طبیعی است.

دی اکسید کربن حذف شده در طول آماده سازی گاز سنتز می تواند با آمونیاک، اغلب در همان کارخانه، واکنش داده و اوره، CO(NH2)2 را تشکیل دهد. این یک کود عالی، با غلظت بالا در نیتروژن (46.6 درصد)، و همچنین به عنوان یک افزودنی در خوراک دام برای تامین نیتروژن برای تشکیل پروتئین گوشت مفید است. اوره همچنین برای یک سری مهم از رزین ها و پلاستیک ها از طریق واکنش با فرمالدئید، مشتق شده از متانول استفاده می شود.

آمونیاک را می توان به عنوان یک کود در اشکال مختلف استفاده کرد، از کاربرد آمونیاک مایع در زیر سطح خاک، یا محلول های آمونیاک در آب (همچنین حاوی سایر مواد کود)، یا به عنوان نیترات آمونیوم، یا سایر محصولات از اسید نیتریک. که خود از آمونیاک به دست می آید. آمونیاک همچنین کاربردهای دیگری در صنایع شیمیایی دارد. مقدار کمی آمونیاک مصرف شده در فرآیند ساخت کربنات سدیم توسط فرآیند آمونیاک- سودا قبلاً حجم قابل توجهی را تشکیل می داد. آمونیاک در یک فرآیند برای ساخت ریون، به عنوان مبرد در تاسیسات تبرید تجاری بزرگ و به عنوان یک منبع مناسب قابل حمل هیدروژن استفاده می شود. هیدروژن را می توان به صورت سیلندر فشرده کرد، اما آمونیاک که در اثر فشرده سازی مایعی را تشکیل می دهد، هیدروژن بسیار بیشتری را در همان حجم بسته بندی می کند. در اثر حرارت به هیدروژن و نیتروژن تجزیه می شود. نیتروژن برای ایجاد یک جو بی اثر برای بسیاری از عملیات متالورژی استفاده می شود

اسید نیتریک
تا کنون مهمترین کاربرد آمونیاک در صنایع شیمیایی تولید اسید نیتریک (HNO3) است. نیتروژن و اکسیژن می توانند به طور مستقیم با یکدیگر ترکیب شوند فقط با مشکل قابل توجهی. فرآیندی مبتنی بر چنین ترکیب مستقیم، اما با استفاده از مقادیر زیادی نیروی الکتریکی، در دهه‌های 1920 و 1930 در نروژ مورد استفاده قرار گرفت، جایی که نیروی برق آبی به راحتی در دسترس است. در شرایط مدرن اقتصادی بودن آن ثابت نشده است.

آمونیاک در هوا یا اکسیژن می سوزد و باعث سوختن اتم های هیدروژن می شود و آب تشکیل می دهد و نیتروژن آزاد می گذارد. با کمک یک کاتالیزور، پلاتین با درصد کمی از فلز مربوط به رودیوم، آمونیاک به اکسیدهای نیتروژن اکسید می شود که می تواند با آب واکنش داده و اسید نیتریک را تشکیل دهد.

اسید نیتریک تیمار شده با آمونیاک نیترات آمونیوم می دهد که مهم ترین کود است. علاوه بر این، نیترات آمونیوم نیز یکی از اجزای مهم بسیاری از مواد منفجره است. سه ماده منفجره اساسی با نیترات کردن (تصویر با اسید نیتریک، اغلب در مخلوط با اسید سولفوریک) به دست می آیند: سلولز که از چوب به دست می آید، نیترات سلولز می دهد (که قبلاً نیتروسلولز نامیده می شد). گلیسرول گلیسریل تری نیترات (که قبلاً نیتروگلیسیرین نامیده می شد) می دهد. و تولوئن تری نیتروتولوئن یا TNT می دهد. یکی دیگر از مواد منفجره آمونیوم پیکرات است که از اسید پیکریک به دست می‌آید که ارتباط آن در نام سیستماتیک آن، 2،4،6-ترینتروفنول، به وضوح دیده می‌شود.

یک بخش کوچک اما همچنان مهم در صنعت مواد منفجره، تولید مواد منفجر کننده یا ترکیبات پرایمینگ مانند آزید سرب [Pb(N3)2]، آزید نقره (AgN3) و فولمینات جیوه [Hg(ONC)2] است. اینها نیترات یا ترکیبات نیترو نیستند، اگرچه برخی چاشنی های دیگر هستند، اما همه آنها حاوی نیتروژن هستند و اسید نیتریک در ساخت آنها نقش دارد.

مربوط به مواد منفجره، پیشران های موشک هستند. یک موشک پرتاب کننده موشک یا وسیله پرتاب فضاپیما باید هر دو جزء واکنشی (سوخت و اکسید کننده) را با خود حمل کند، چه در مولکول های مختلف یا در یک مولکول. اساساً پیشرانه های موشک از یک اکسیدان و یک احیاکننده تشکیل شده اند. اکسیدان لزوماً مشتق اسید نیتریک نیست، بلکه ممکن است اکسیژن مایع، ازن (O3)، فلوئور مایع یا تری فلوراید کلر نیز باشد.

از دیگر کاربردهای اسید نیتریک که به مواد منفجره یا پیشرانه مربوط نمی شود می توان به تولید نیترات سلولز برای استفاده در پوشش ها اشاره کرد. بدون رنگدانه، لاک شفافی را تشکیل می‌دهد که بیشتر در تزئین مبلمان استفاده می‌شود. رنگدانه، پوشش های درخشان درخشانی را ایجاد می کند که به آنها لاک گفته می شود. زمانی الیافی شبیه به ابریشم مصنوعی از نیترات سلولز ساخته می شد.

نیتراسیون بنزن، نیتروبنزن تولید می کند که می تواند به آمینو بنزن، که بیشتر به نام آنیلین شناخته می شود، کاهش یابد. آنیلین همچنین می تواند با واکنش آمونیاک با کلروبنزن که از بنزن به دست می آید ساخته شود. بنزن و آمونیاک در هر دو مورد مورد نیاز است. درمان مشابه اعمال شده برای نفتالین (C10H8) منجر به نفتیلامین می شود. هر دو آنیلین و نفتیلامین پدر و مادر تعداد زیادی رنگ هستند، اما امروزه رنگ های مصنوعی معمولاً منشا پتروشیمی دارند (به مقاله رنگ مراجعه کنید). آنیلین، نفتیلامین و سایر واسطه های رنگی نیز منجر به تولید داروها، مواد شیمیایی عکاسی و مواد شیمیایی مورد استفاده در پردازش لاستیک می شوند.

گزارش بالا، نه تنها برای کودها، بلکه برای بسیاری از محصولات دیگر، اهمیت فرآیندی را که به عنوان تثبیت نیتروژن اتمسفر شناخته می‌شود، نشان می‌دهد - یعنی گرفتن نیتروژن از هوا و تبدیل آن به شکلی که در آن قابل استفاده است. افزایش فوق العاده در تولید کودها منجر به برپایی گیاهان عظیم آمونیاکی شده است. نیروگاه ها باید منبع سوخت فسیلی در دسترس داشته باشند، اما نفت و گاز طبیعی به راحتی حمل می شوند، به طوری که تمایل به قرار گرفتن گیاهان در نزدیکی مقصد نهایی محصول وجود دارد.

یک کارخانه معمولی شامل تمام تجهیزات برای تهیه گاز سنتز در مقیاس مورد نیاز، همراه با تجهیزات برای تصفیه گاز است. در سنتز آمونیاک (اما نه متانول) هر ترکیب اکسیژن سمی برای کاتالیزور (کاهش اثربخشی) است، بنابراین باید آثار دی اکسید کربن و مونوکسید کربن را با دقت حذف کرد. فشرده سازی گاز تا فشار مورد نظر نیاز به تجهیزات مهندسی گسترده ای دارد. هرچه فشار بیشتر باشد بازده بیشتر است اما هزینه واقعی تراکم بالاتر است. هر چه دما بالاتر باشد بازده کمتر است، اما نمی توان دما را به طور نامحدود کاهش داد تا بازده بهتری حاصل شود زیرا دماهای پایین تر واکنش را کند می کند. دمای استفاده شده در حدود 500 درجه سانتیگراد (930 درجه فارنهایت) است. انتخاب دما و فشار مصالحه ای است که به دقت کار شده است تا نتایج بهینه را به دست دهد. بازده برابر با مقدار نیتروژن و هیدروژن است که در هر یک از مبدل ها آمونیاک را تشکیل می دهند. هر بار فقط کسری تبدیل می شود، اما پس از هر بار عبور آمونیاک حذف می شود و گاز باقی مانده بازیافت می شود. نیتروژن اتمسفر حاوی حدود 1 درصد آرگون است که یک گاز کاملاً بی اثر است که باید هر از گاهی حذف شود تا به طور نامحدود در سیستم تجمع پیدا نکند. همچنین معمولاً یک کارخانه اسید نیتریک و تجهیزاتی برای تولید نیترات آمونیوم در اندازه دانه دقیق برای کاربرد راحت به عنوان کود وجود دارد.

گیاهان در حال رشد محصولات کشاورزی تمام نیتروژن خود را از کود مصنوعی دریافت نمی کنند. نسبت معینی از وسایل طبیعی تامین می شود. برخی از گیاهان، به ویژه لوبیا، رابطه همزیستی با باکتری های نیتروژن دار دارند که می توانند نیتروژن موجود در هوا را "تثبیت" کنند و آن را به شکلی در دسترس برای زندگی گیاهی ترکیب کنند. این سنتز طبیعی بدون نیاز به فشارهای چند صد اتمسفر یا دماهای بالا انجام می شود. در بسیاری از سنتزهای آزمایشگاهی محصولات طبیعی، موفقیت بزرگی با واکنش‌های آرام، بدون شرایط شدید، با فرآیند پیروی از طبیعت به آرامی به‌جای استفاده از نیروی بی‌رحمانه به دست آمده است. آمونیاک ممکن است روزی با فرآیندی که بیشتر شبیه روش طبیعی است، سنتز شود. تحقیقات در این راستا در حال انجام است، و ممکن است یک رویکرد بسیار آسان تر برای تثبیت نیتروژن اتمسفر بخشی از صنعت شیمیایی آینده باشد.

هالوژن ها و ترکیبات آنها
کلر
کاربردها :
اولین استفاده در مقیاس بزرگ از کلر در تولید پودر سفید کننده برای استفاده در ساخت منسوجات کاغذی و پنبه ای بود. پودر سفید کننده بعداً با کلر مایع جایگزین شد، که همچنین به عنوان میکروب کش برای تامین آب عمومی مورد استفاده گسترده قرار گرفت. در حال حاضر کاربرد اصلی کلر در ساخت ترکیبات شیمیایی است. مواد شیمیایی معدنی مهمی که با اثر مستقیم کلر روی مواد دیگر ساخته می شوند عبارتند از کلرید گوگرد، تیونیل کلرید، فسژن، کلرید آلومینیوم، کلرید آهن (III)، کلرید تیتانیوم (IV)، کلرید قلع (IV) و کلرات پتاسیم.

مواد شیمیایی آلی ساخته شده مستقیماً از کلر شامل مشتقات متان (متیل کلرید، متیلن کلرید، کلروفرم و تتراکلرید کربن) است. کلروبنزن و ارتو و پارا دی کلروبنزن. اتیل کلرید؛ و اتیلن کلرید

آماده سازی تجاری
از بین چندین فرآیندی که برای ساخت کلر استفاده شده است، قدیمی ترین آنها از واکنش اسید کلریدریک با دی اکسید منگنز استفاده می کرد. این روش ناکارآمد بود و کاربرد تجاری آن کوتاه مدت بود.

فرآیندی که در سال 1868 توسط شیمیدان انگلیسی هنری دیکن معرفی شد بر اساس واکنش اکسیژن اتمسفر با اسید کلریدریک بود که به عنوان محصول فرعی فرآیند Leblanc برای ساخت خاکستر سودا در دسترس بود. هنگامی که فرآیند Leblanc منسوخ شد، فرآیند Deacon از کار افتاد.

صنعت کلر قلیایی - که در آن کلر و سود سوزآور (هیدروکسید سدیم) به طور همزمان با تجزیه الکترولیتی نمک (کلرید سدیم) تولید می‌شوند- در قرن بیستم به منبع اصلی کلر تبدیل شده است. همانطور که قبلا ذکر شد، در دو نسخه مهم فرآیند الکترولیتی، آب نمک الکترولیت (که در آن عبور جریان الکتریکی با حرکت ذرات باردار به نام یون اتفاق می‌افتد) و میله‌های گرافیت آندها (پایانه‌های مثبت) هستند. تفاوت بین این دو فرآیند ناشی از رفتار متمایز آهن و جیوه زمانی است که از آن فلزات به عنوان کاتد (پایانه های منفی) استفاده می شود.

در آب نمک، دو ماده مستعد کاهش شیمیایی عبارتند از یون های سدیم با بار مثبت و مولکول های خنثی آب. در یک کاتد برگشت‌پذیر، کاهش یون‌های سدیم به ولتاژ بالاتری نسبت به کاهش مولکول‌های آب نیاز دارد و اعمال ولتاژ به اندازه کافی برای کاهش یون‌های سدیم باعث کاهش مقدار قابل‌توجهی آب اما تعداد بسیار کمی از یون‌های سدیم می‌شود. .

از سوی دیگر، در یک کاتد جیوه، کاهش قابل ملاحظه آب نیاز به ولتاژ بسیار بالاتری نسبت به ولتاژ مورد نیاز در یک کاتد آهن دارد. این به اصطلاح مازاد پتانسیل در واقع آنقدر زیاد است که ولتاژ الکترود را می توان به ولتاژ مورد نیاز برای کاهش یون های سدیم بدون تأثیر بر مولکول های آب افزایش داد.

عبور جریان الکتریکی مستقیم از آب نمک با تغییرات شیمیایی در سطوحی که الکترودها در تماس با الکترولیت هستند همراه است. در آند گرافیت، یون‌های کلرید موجود در نمک محلول توسط اکسیداسیون به کلر عنصری تبدیل می‌شوند که از طریق یک دریچه به سمت بیرون هدایت می‌شود. در کاتد آهن، طبق معادله بالا، کاهش آب صورت می گیرد. گاز هیدروژن حذف می شود، در حالی که یون های هیدروکسید در محلول باقی می مانند. نتیجه خالص این است که یون های کلرید و آب مصرف می شود و گاز کلر، گاز هیدروژن و یون هیدروکسید تولید می شود. تبدیل کامل کلرید به هیدروکسید عملی نیست، اما از آنجایی که آب نمک به طور مداوم در بالای سلول وارد می شود، محلولی حاوی تقریباً مقادیر مساوی نمک و سود سوزآور از پایین خارج می شود. تصفیه مایع پساب خروجی هیدروکسید سدیم جامد حاوی مقدار کمی نمک را به همراه دارد.

تولید موفقیت آمیز کلر و سود سوزآور در این سلول ها مستلزم جداسازی این دو محصول است، زیرا در صورت اختلاط با یکدیگر واکنش نشان می دهند. کلر با قرار دادن یک دیافراگم بین الکترودها از ماده سوزاننده دور نگه داشته می شود: چنین سلول هایی معمولاً سلول های دیافراگمی نامیده می شوند.

در نوع اصلی دیگر فرآیند کلر قلیایی، سلول جیوه ای به کار می رود. کاتد در چنین سلولی یک لایه کم عمق از جیوه است که در کف ظرف جریان دارد. آندهای گرافیت به سمت الکترولیت آب نمک گسترش می یابند. جریان مستقیم قدرتمندی بین میله های گرافیتی و سطح جیوه عبور می کند. در آندها، یونهای کلرید به گاز کلر تبدیل می شوند، مانند سلول دیافراگمی. با این حال، واکنشی که در کاتد جیوه اتفاق می‌افتد، با کاتد آهن متفاوت است. یون‌های سدیم با بار مثبت در آب نمک به سطح جیوه مهاجرت می‌کنند، جایی که ولتاژ به اندازه کافی بالاست تا آنها را بدون کاهش آب به فلز سدیم تبدیل کند، زیرا به دلیل وجود پتانسیل اضافی جیوه در بالا ذکر شد. سدیم فلزی تشکیل‌شده در کاتد در جیوه حل می‌شود و محلول (به نام آمالگام) از سلول به ظرف دیگری می‌ریزد و در آنجا با آب تماس پیدا می‌کند که با سدیم واکنش می‌دهد و هیدروکسید سدیم و هیدروژن تشکیل می‌دهد.

نتیجه کلی عملکرد یک سلول جیوه مانند عملکرد یک سلول دیافراگمی است: کلرید سدیم و آب به هیدروکسید سدیم، کلر و هیدروژن تبدیل می‌شوند. با این حال، استفاده از سلول جیوه، تولید هیدروکسید سدیم را در غیاب نمک ممکن می سازد، به طوری که تبخیر مایع سوزاننده، هیدروکسید سدیم جامد را کاملاً عاری از کلرید سدیم تولید می کند. خلوص بالاتر محصول، آن را برای کاربردهای خاص، به ویژه در ساخت ریون، مطلوب تر می کند.