관계 지식

수산화나트륨의 공업적인 제조법에는 염화나트륨(공업염) 전기분해와 탄산나트륨의 가성화가 있다.

NaCl 수용액을 전기분해하면 수산화 나트륨과 염소·수소 기체가 동시에 얻어진다. 이 방법을 전해소다법이라고 하며, 얻어진 수산화 나트륨은 전해 소다라고 한다.

NaCl의 각 성분이 위의 식에서처럼 완전히 이용되는데 Cl 성분도 염소 기체와 같은 이용성이 높은 형으로 변하므로 매우 합리적인 NaCl 이용법이다.

문제점의 하나는 수산화 나트륨과 염소와의 관계에서 쌍방의 수급이 균형을 유지해야 하는데, 어느 쪽이든 과잉이 되면 그것의 새로운 이용, 처분법을 고려해야 한다. 전기 분해 반응의 원리는 오래 전부터 알려져 왔는데 다음과 같다. NaCl수용액에는 다음 4가지 이온이 존재하며,

이것을 전기분해하면,

음극에서 염기가 생성되지만, 그대로는 양극에서 생긴 Cl₂와 혼합하여,

가 오른쪽으로 진행되므로 생성물이 소비된다. 이로 인해 생성물을 각각 분리하는 연구가 이루어지게 되었다. 그 방법에는 격막법·수은법·이온교환막법 등 3종류가 있다.

발전기가 발달된 19세기 후반부터 직류전류를 이용한 공업적 규모의 전기분해가 가능해졌다. 양극 재질은 오랫동안 흑연이 이용되어 왔으나, 최근에는 소모되지 않는 치수 안정 전극(dimensionally stable electrode;DSE로 약칭함. 금속 티탄에 산화 루테늄(Ⅳ) RuO₂를 피복한 금속 전극)으로 교체되고 있다.

1. 격막법

양극과 음극(철) 사이에 격막을 설치하고 용액을 양극실에서 음극실로 흘려보내 역류를 방지한다.

NaOH와 NaCl 혼합액(NaOH 10∼12％ 정도)이 얻어지므로 증발관에서 농축시키고, 석출되는 NaCl을 분리하여 원료로 되돌린다.

전해용 격막의 재질은 꽤 까다로운데, 세공 지름이 적당해야 하고, 기계적·화학적(특히 알칼리에 대하여)으로 안정해야 하며, 이온은 투과하고 분자는 통과시키지 않는 등의 조건을 갖춘 석면이 주로 이용된다.

격막법은 아주 오래 전부터 행해져 왔으나 수산화 나트륨의 순도가 낮고 공정면에서 비경제적이라 하여 수은법이 발달하게 되었다.

2. 수은법

격막을 쓰지 않고 탄소를 양극으로, 수은을 음극으로 하여 전기분해하면, 양극에서는 염소가 발생하고 음극에서는 생성된 Na⁺이 Hg와 반응하여 나트륨 아말감을 만든다.

수은 음극의 사용 형식은 이전에는 수은을 바닥에 흘려보내는 방식이 쓰였으나 여러 가지 연구가 이루어져 입형·수평형 철판의 표면을 나트륨 아말감으로 적신 것이 회전하는 회전 음극 방식이 채용되었다. 이것은 전해조의 면적을 줄여 생산 능률을 높인 장치이다. 이 아말감 속에서는 나트륨 0.2％ 정도가 유동상 적당하다. 아말감을 다른 장소로 옮겨 가수 분해하면,

의 반응으로 NaOH가 되고 Hg는 회복 재생되므로 이를 순환시킨다. 이 공정을 해홍(amalgam decomposition)이라 하고, 이를 위한 장치는 해홍조라고 한다. 수산화나트륨 50％ 수용액이 얻어지므로, 그대로 제품이 되고 또한 농축도 용이하며, 고전류 밀도 조업도 가능하다. 그러나 일반적으로 수은법은 격막법에 비해 순도가 높지만 수은 사용으로 인한 환경 오염 문제를 야기시키므로 수은을 사용하는 장소에서는 엄밀한 크로스드시스템(crossed system)을 설비해야 한다.

3. 이온교환막법

격막법의 개량법에 해당하는 제 3의 전해 소다법으로 최근 주목받고 있으며, 미국을 비롯한 여러 나라에서 개발되고 있다. Na⁺만을 통과시키는 이온 교환막을 사용하는데, 생성된 수산화 나트륨의 순도가 높고 그 농도도 20∼40％이다. 이온 교환막은 말단에 COOH기를 갖는 (CF₂)_n계의 플루오르수지가 뒤퐁사에 의해 개발되었다.