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Procédé pour la fabrication d'une solution aqueuse d'hydroxyde de métal alcalin et cellule d'électrolyse
L'invention a pour objet un procédé pour la fabrication d'une solution aqueuse d'hydroxyde de métal alcalin, en particulier d'hydroxyde de sodium, par électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de métal alcalin.
Trois grands types de procédés industriels sont communément utilisés pour fabriquer des solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium à partir de solutions aqueuses de chlorure de sodium. Ces procédés sont le procédé d'électrolyse en'cellule à cathode de mercure, le procédé d'électrolyse en cellule à diaphragme et le procédé d'électrolyse en cellule à membrane sélectivement perméable aux cations. Dans ces procédés d'électrolyse connus, la production d'hydroxyde de sodium s'accompagne de la production de chlore qu'il convient de valoriser.
On a cherché à modifier les procédés d'électrolyse connus de manière à éviter une production de chlore concomitante de la production de l'hydroxyde de sodium. A cet effet, dans la demande de brevet JP-A-52043797 (TOKUYAMA SODA), on fait usage d'une cellule d'électrolyse comprenant une chambre anodique, une chambre cathodique et une chambre intermédiaire séparée des chambres anodique et cathodique par deux membranes sélectivement perméables aux cations.
On alimente la chambre intermédiaire avec une solution aqueuse de chlorure de sodium, on alimente la chambre cathodique avec de l'eau ou une solution aqueuse diluée d'hydroxyde de sodium, on fait circuler une solution aqueuse d'acide sulfurique, de sulfate de sodium ou de nitrate de sodium dans la chambre anodique et on soutire de l'oxygène de la chambre anodique, de l'hydrogène et une solution aqueuse concentrée d'hydroxyde de sodium de la chambre cathodique. Dans ce procédé connu, des protons H+ formés par électrolyse de l'eau dans la chambre anodique migrent à travers les membranes jusque dans la chambre cathodique où ils neutralisent une partie des ions
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hydroxyle 0H- formés à la cathode, ce qui nuit au rendement énergétique de la cellule.
Le brevet belge BE-A-617281 (IONICS INCORPORATED), divulgue un procédé qui évite cet inconvénient. A cet effet, on y fait usage d'une cellule d'électrolyse divisée en quatre chambres juxtaposées par une membrane sélectivement perméable aux cations et deux diaphragmes perméables aux solutions aqueuses. La cellule comprend ainsi une chambre anodique, une chambre cathodique et deux chambres intermédiaires, les deux chambres intermédiaires étant séparées par la membrane, tandis que la chambre anodique et la chambre cathodique sont respectivement disposées de part et d'autre des chambres intermédiaires dont elles sont séparées par les deux diaphragmes.
On introduit une solution aqueuse de chlorure de sodium dans la chambre intermédiaire voisine de la chambre anodique, on introduit de l'eau ou une solution aqueuse diluée d'hydroxyde de sodium dans la chambre intermédiaire voisine de la chambre cathodique et on soutire de l'oxygène et de l'acide chlorhydrique hors de la chambre anodique et de l'hydrogène et une solution concentrée d'hydroxyde de sodium de la chambre cathodique. Dans ce procédé, la circulation des solutions aqueuses à travers les diaphragmes s'oppose à une migration des protons de la chambre anodique vers la chambre cathodique et à une migration des ions hydroxyle OH-de la chambre cathodique vers la chambre anodique.
Dans ce procédé connu, il est toutefois difficile d'éviter la formation de chlore dans la chambre anodique, de sorte que l'oxygène soutiré de celle-ci est inévitablement contaminé par du chlore.
L'invention remédie aux inconvénients précités des procédés connus, en fournissant un procédé pour la production électrolytique de solutions aqueuses d'hydroxyde de métal alcalin au départ de solutions aqueuses de chlorure de métal alcalin qui évite une production parasite de chlore sans nuire au rendement énergétique de l'électrolyse.
En conséquence, l'invention concerne un procédé pour la fabrication d'une solution aqueuse d'hydroxyde de métal alcalin par électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de métal
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alcalin dans une cellule d'électrolyse à quatre chambres juxtaposées comprenant une chambre anodique contenant une anode, une chambre cathodique contenant une cathode et deux chambres intermédiaires, une membrane sélectivement perméable aux cations interposée entre la chambre anodique et la chambre intermédiaire qui lui est contiguë, une cloison perméable aux cations interposée entre la chambre cathodique et la chambre intermédiaire qui lui est contiguë et une membrane sélectivement perméable aux anions interposée entre les deux chambres intermédiaires ;
on introduit la solution aqueuse de chlorure de métal alcalin dans la chambre intermédiaire qui est contiguë à la chambre cathodique, on introduit une solution aqueuse d'un composé ionisé non halogéné dans la chambre anodique, on soutire la solution aqueuse d'hydroxyde de métal alcalin de la chambre cathodique et on soutire une solution aqueuse d'acide chlorhydrique de la chambre intermédiaire qui est contiguë à la chambre anodique.
Dans le procédé selon l'invention, la membrane sélectivement perméable aux cations est une membrane non poreuse aux solutions aqueuses qui a pour fonction de séparer la chambre anodique de la chambre intermédiaire qui lui est contiguë en permettant seulement le transfert de cations entre ces deux chambres pendant l'électrolyse. Elle doit être en un matériau inerte vis-à-vis des solutions aqueuses d'acide chlorhydrique et des solutions aqueuses traitées dans la chambre anodique. Des membranes sélectivement perméables aux cations, utilisables dans le procédé selon l'invention sont des feuilles en un matériau polymérique contenant des groupements fonctionnels cationiques dérivés d'acides sulfoniques, d'acides carboxyliques ou d'acides phosphoniques.
Des exemples de membrane en polymère fluoré comprenant des groupement fonctionnels cationiques sont décrits dans les documents GB-A-1497748 et GB-A-1497749 (ASAHI KASEI), GB-A-1518387, GB-A-1522877 et US-A-4126588 (ASAHI GLASS COMPANY LTD) et GB-A-1402920 (DIAMOND SHAMROCK CORP. ).
La membrane sélectivement perméable aux anions est une membrane non poreuse aux solutions aqueuses, qui a pour fonction de séparer les deux chambres intermédiaires l'une de l'autre, en
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permettant seulement le transfert d'anions entre ces deux chambres pendant l'électrolyse. Elle doit être en un matériau inerte vis-à-vis des solutions aqueuses d'acide chlorhydrique et des solutions aqueuses de chlorure de métal alcalin traitées dans la chambre anodique. Des membranes sélectivement perméables aux anions utilisables dans le procédé selon l'invention sont des feuilles en un matériau polymérique (par exemple un copolymère du styrène et du divinylbenzène) auquel sont fixés des groupements d'ammonium quaternaire jouant le rôle de sites anioniques fixes.
Des résines utilisables pour la confection de la membrane anionique utilisable dans le procédé selon l'invention sont décrites dans le brevet US-A-2591573. Les résines Amberlite (marque déposée de ROHM & HAAS) sont des exemples de résines utilisables pour la confection de la membrane anionique du procédé selon l'invention.
La cloison perméable aux cations est une feuille qui sépare la chambre cathodique de la chambre intermédiaire qui lui est contiguë et qui est susceptible d'être traversée par un courant de cations pendant l'électrolyse. Elle peut être une membrane sélectivement perméable aux cations, telle que définie plus haut, ou un diaphragme perméable aux électrolytes aqueux. Des exemples de diaphragmes utilisables dans le procédé selon l'invention sont des diaphragmes en amiante, tels que ceux décrits dans le brevet US-A-1855497 (STUART) et dans les brevets FR-A-2400569, EP-A-1644 et EP-A-18034 (SOLVAY & Cie) et des diaphragmes en polymères organiques, tels que ceux décrits dans les brevets FR-A-2170247 (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC) et dans les brevets EP-A-7674 et EP-A-37140 (SOLVAY & Cie).
Le choix des matériaux de l'anode et de la cathode est conditionné par la nécessité que ces électrodes résistent mécaniquement et chimiquement aux conditions de l'électrolyse. Elles doivent par ailleurs satisfaire à la condition de réaliser une décomposition électrochimique de l'eau pendant l'électrolyse, avec formation d'oxygène à l'anode et d'hydrogène à la cathode.
L'anode peut être une plaque en métal noble, le platine étant préféré. La cathode peut être une plaque en fer ou en nickel.
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La solution aqueuse de chlorure de métal alcalin est avantageusement une solution de chlorure de sodium. Elle est de préférence une solution saturée.
Le composé ionisé non halogéné peut être tout composé hydrosoluble qui est capable de former un électrolyte après dissolution dans l'eau et dont l'anion n'est pas un halogène et présente, vis-à-vis de l'anode, une surtension supérieure à celle de l'oxygène. Des exemples de tels composés sont le sulfate d'hydrogène, les sulfates des métaux alcalins et les nitrates des métaux alcalins. On donne la préférence au sulfate d'hydrogène et au sulfate de sodium.
Pendant l'électrolyse, on fait circuler un courant continu entre l'anode et la cathode, sous une tension suffisante pour provoquer l'électrolyse de l'eau. On recueille de l'oxygène sur l'anode et de l'hydrogène sur la cathode. Simultanément, il se forme de l'acide chlorhydrique dans la chambre intermédiaire qui est contiguë à la chambre anodique et il se forme de l'hydroxyde de métal alcalin dans la chambre cathodique. On soutire la solution d'hydroxyde de métal alcalin de la chambre cathodique et la solution d'acide chlorhydrique de la chambre intermédiaire qui est contiguë à la chambre anodique.
Dans une forme d'exécution particulière du procédé selon l'invention, l'oxygène et l'hydrogène recueillis respectivement de la chambre anodique et de la chambre cathodique sont mis à réagir pour produire du peroxyde d'hydrogène.
L'invention concerne également une cellule d'électrolyse de conception nouvelle, conçue pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et comprenant, dans une enceinte, une chambre anodique contenant une anode, une chambre cathodique contenant une cathode et deux chambres intermédiaires, des conduits pour l'admission d'électrolytes dans l'enceinte et des conduits pour l'évacuation de produits de l'électrolyse ;
selon l'invention, une membrane sélectivement perméable aux cations sépare la chambre anodique de la chambre intermédiaire qui lui est contiguë, une membrane sélectivement perméable aux anions sépare les deux chambres intermédiaires, une membrane sélectivement perméable aux
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cations ou un diaphragme perméable aux solutions aqueuses sépare la chambre cathodique de la chambre intermédiaire qui lui est contiguë, les conduits d'admission d'électrolytes comprennent un conduit qui débouche dans la chambre anodique et un conduit qui débouche dans la chambre intermédiaire qui est contiguë à la chambre cathodique, et les conduits d'évacuation des produits de l'électrolyse comprennent un conduit en communication avec la chambre anodique,
au moins un conduit en communication avec la chambre cathodique et un conduit en communication avec la chambre intermédiaire qui est contiguë à la chambre anodique.
Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des dessins annexés.
La figure 1 représente schématiquement une première forme de réalisation de la cellule selon l'invention ;
La figure 2 représente une seconde forme de réalisation de la cellule selon l'invention.
Dans ces deux figures, des mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
La cellule représentée à la figure 1 comprend une enceinte 1 divisée en quatre chambres 2,3, 4 et 5 par trois cloisons 6,7 et 8. La chambre 2 est une chambre anodique de la cellule et contient une anode 9. La chambre 5 est une chambre cathodique et contient une cathode 10. Les cloisons 6 et 8 sont des membranes sélectivement perméables aux cations et la cloison 7 est une membrane sélectivement perméable aux anions. La chambre 4 est en communication avec un conduit 11 d'admission d'un électrolyte et avec un conduit 17 d'évacuation d'un électrolyte. La chambre anodique 2 est en communication avec un conduit 12 d'admission d'un électrolyte et avec un conduit 13 d'évacuation des produits générés dans la chambre anodique pendant l'électrolyse.
Deux conduits 14 et 15 servent à l'évacuation des produits générés dans la chambre cathodique 5 pendant l'électrolyse et un conduit 16 sert à évacuer le produit généré dans la chambre intermédiaire 3 pendant l'électrolyse.
Dans une forme de réalisation particulière du procédé selon l'invention, mettant en oeuvre la cellule de la figure 1, on
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introduit une solution aqueuse approximativement saturée de chlorure de sodium dans la chambre 4 via le conduit 11 et une solution aqueuse de sulfate d'hydrogène dans la chambre anodique 2, via le conduit 12, et on établit un courant continu entre l'anode 9 et la cathode 10. Sous l'effet du champs électrique, des cations sodium Na+ migrent de la chambre intermédiaire 4 vers la chambre cathodique 5 en traversant la membrane 8 et des anions chlorure Cl-migrent de la chambre 4 dans la chambre 3 en traversant la membrane 7. Dans la chambre anodique 2, l'eau subit une électrolyse, libérant un courant d'oxygène que l'on évacue par le conduit 13, avec la solution de sulfate d'hydrogène.
Des protons de la chambre anodique 2 migrent à travers la membrane 6 vers la chambre intermédiaire 3 où ils se combinent aux ions chlorure provenant de la chambre 4 pour former du chlorure d'hydrogène. Celui-ci est dissous dans l'eau transportée par les ions chlorure et les protons qui ont traversé les membranes 4 et 6, de sorte que l'on recueille de la chambre 3 une solution aqueuse d'acide chlorhydrique via le conduit d'évacuation 16.
Dans la chambre cathodique 5, l'eau subit une électrolyse libérant de l'hydrogène et des ions hydroxyle OH- ; l'hydrogène est évacué par le conduit 14 et on recueille par le conduit 15 une solution aqueuse enrichie d'hydroxyde de sodium. Par le conduit 17, on soutire de la chambre intermédiaire 4, une solution diluée de chlorure de sodium qu'il suffit de resaturer puis de retourner dans la cellule via le conduit 11. La solution aqueuse d'hydroxyde de sodium recueillie de la chambre 5 contient par exemple entre 25 et 40 % en poids d'hydroxyde de sodium.
Dans le procédé qui vient d'être décrit en référence à la figure 1, on peut, en variante, introduire de l'eau dans la chambre intermédiaire 3, via un conduit supplémentaire 18, si l'on souhaite diluer la solution d'acide chlorhydrique soutirée par le conduit 16. Selon une autre variante, on peut aussi introduire par le conduit 18 une solution aqueuse diluée d'acide chlorhydrique dans le but de la concentrer dans la chambre 3 de la cellule. Selon une variante supplémentaire du procédé, on peut introduire de l'eau ou une solution aqueuse diluée d'hydroxyde de
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sodium dans la chambre cathodique 5, via un conduit supplémentaire 19
La cellule conforme à l'invention représentée à la figure 2 diffère de celle de la figure 1 par la cloison 8 qui est un diaphragme perméable aux solutions aqueuses.
Le diaphragme peut avantageusement être un diaphragme en amiante tel que ceux que l'on utilise communément dans les cellules à diaphragme destinées à la production de chlore.
Lorsque le procédé selon l'invention est exécuté dans la cellule de la figure 2, le conduit 17 est obturé. Pendant l'électrolyse, le diaphragme est traversé non seulement par des cations sodium Na+, mais également par la solution de chlorure de sodium introduite dans la chambre 4 via le conduit 11. La solution recueillie de la chambre cathodique par le conduit 15 est une solution aqueuse de chlorure de sodium et d'hydroxyde de sodium, contenant par exemple entre 5 et 25 X en poids de chlorure de sodium et entre 5 et 30 % en poids d'hydroxyde de sodium, similaire aux saumures caustiques généralement extraites des cellules d'électrolyse à diaphragme utilisées pour la production de chlore.
Cette solution peut être soumise à une évaporation pour la concentrer en hydroxyde de sodium, avec cristallisation de chlorure de sodium, ou être envoyée dans une installation de fabrication de carbonate de sodium.
Dans une forme d'exécution particulière du procédé selon l'invention, l'oxygène recueilli de la-chambre anodique 2 par le conduit 13 est mis à réagir avec l'hydrogène recueilli de la chambre cathodique 5 par le conduit 14, de manière à produire du peroxyde d'hydrogène.
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Process for the production of an aqueous solution of alkali metal hydroxide and electrolysis cell
The subject of the invention is a process for the manufacture of an aqueous solution of alkali metal hydroxide, in particular sodium hydroxide, by electrolysis of an aqueous solution of alkali metal chloride.
Three main types of industrial processes are commonly used to make aqueous solutions of sodium hydroxide from aqueous solutions of sodium chloride. These methods are the mercury cathode cell electrolysis process, the diaphragm cell electrolysis process and the selectively cation permeable membrane cell electrolysis process. In these known electrolysis processes, the production of sodium hydroxide is accompanied by the production of chlorine which should be recovered.
Attempts have been made to modify the known electrolysis processes so as to avoid production of chlorine concomitant with the production of sodium hydroxide. To this end, in patent application JP-A-52043797 (TOKUYAMA SODA), use is made of an electrolysis cell comprising an anode chamber, a cathode chamber and an intermediate chamber separated from the anode and cathode chambers by two membranes. selectively permeable to cations.
The intermediate chamber is supplied with an aqueous solution of sodium chloride, the cathode chamber is supplied with water or a dilute aqueous solution of sodium hydroxide, an aqueous solution of sulfuric acid, of sodium sulfate is circulated or sodium nitrate in the anode chamber and oxygen is drawn from the anode chamber, hydrogen and a concentrated aqueous solution of sodium hydroxide from the cathode chamber. In this known process, H + protons formed by electrolysis of water in the anode chamber migrate through the membranes into the cathode chamber where they neutralize part of the ions
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hydroxyl OH- formed at the cathode, which affects the energy efficiency of the cell.
Belgian patent BE-A-617281 (IONICS INCORPORATED), discloses a process which avoids this drawback. For this purpose, use is made of an electrolysis cell divided into four chambers juxtaposed by a membrane selectively permeable to cations and two diaphragms permeable to aqueous solutions. The cell thus comprises an anode chamber, a cathode chamber and two intermediate chambers, the two intermediate chambers being separated by the membrane, while the anode chamber and the cathode chamber are respectively arranged on either side of the intermediate chambers of which they are separated by the two diaphragms.
An aqueous solution of sodium chloride is introduced into the intermediate chamber adjacent to the anode chamber, water or a dilute aqueous solution of sodium hydroxide is introduced into the intermediate chamber adjacent to the cathode chamber and the water is drawn off. oxygen and hydrochloric acid out of the anode chamber and hydrogen and a concentrated solution of sodium hydroxide from the cathode chamber. In this process, the circulation of the aqueous solutions through the diaphragms is opposed to a migration of the protons from the anode chamber towards the cathode chamber and to a migration of the hydroxyl ions OH - from the cathode chamber towards the anode chamber.
In this known process, however, it is difficult to avoid the formation of chlorine in the anode chamber, so that the oxygen withdrawn therefrom is inevitably contaminated with chlorine.
The invention overcomes the aforementioned drawbacks of known methods by providing a method for the electrolytic production of aqueous solutions of alkali metal hydroxide from aqueous solutions of alkali metal chloride which avoids parasitic production of chlorine without harming energy efficiency electrolysis.
The invention therefore relates to a process for the manufacture of an aqueous solution of alkali metal hydroxide by electrolysis of an aqueous solution of metal chloride.
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alkaline in an electrolysis cell with four juxtaposed chambers comprising an anode chamber containing an anode, a cathode chamber containing a cathode and two intermediate chambers, a membrane selectively permeable to cations interposed between the anode chamber and the intermediate chamber which is contiguous to it, a partition permeable to cations interposed between the cathode chamber and the intermediate chamber which is contiguous thereto and a membrane selectively permeable to anions interposed between the two intermediate chambers;
the aqueous solution of alkali metal chloride is introduced into the intermediate chamber which is contiguous to the cathode chamber, an aqueous solution of an ionized non-halogenated compound is introduced into the anode chamber, the aqueous solution of alkali metal hydroxide is drawn off from the cathode chamber and an aqueous solution of hydrochloric acid is withdrawn from the intermediate chamber which is contiguous to the anode chamber.
In the process according to the invention, the selectively cation-permeable membrane is a non-porous membrane with aqueous solutions which has the function of separating the anode chamber from the intermediate chamber which is contiguous to it by allowing only the transfer of cations between these two rooms during electrolysis. It must be made of a material which is inert towards aqueous hydrochloric acid solutions and aqueous solutions treated in the anode chamber. Membranes selectively permeable to cations, which can be used in the process according to the invention are sheets of a polymeric material containing cationic functional groups derived from sulfonic acids, carboxylic acids or phosphonic acids.
Examples of fluoropolymer membranes comprising cationic functional groups are described in documents GB-A-1497748 and GB-A-1497749 (ASAHI KASEI), GB-A-1518387, GB-A-1522877 and US-A-4126588 (ASAHI GLASS COMPANY LTD) and GB-A-1402920 (DIAMOND SHAMROCK CORP.).
The membrane selectively permeable to anions is a non-porous membrane with aqueous solutions, which has the function of separating the two intermediate chambers from one another, in
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only allowing the transfer of anions between these two chambers during electrolysis. It must be made of a material which is inert towards aqueous solutions of hydrochloric acid and aqueous solutions of alkali metal chloride treated in the anode chamber. Membranes selectively permeable to anions which can be used in the process according to the invention are sheets of a polymeric material (for example a copolymer of styrene and divinylbenzene) to which are fixed quaternary ammonium groups playing the role of fixed anionic sites.
Resins which can be used for making the anionic membrane which can be used in the process according to the invention are described in patent US-A-2591573. Amberlite resins (registered trademark of ROHM & HAAS) are examples of resins which can be used for making the anionic membrane of the process according to the invention.
The cation-permeable partition is a sheet which separates the cathode chamber from the intermediate chamber which is contiguous to it and which is capable of being traversed by a current of cations during electrolysis. It can be a membrane selectively permeable to cations, as defined above, or a diaphragm permeable to aqueous electrolytes. Examples of diaphragms which can be used in the process according to the invention are asbestos diaphragms, such as those described in patent US-A-1855497 (STUART) and in patents FR-A-2400569, EP-A-1644 and EP -A-18034 (SOLVAY & Cie) and diaphragms made of organic polymers, such as those described in patents FR-A-2170247 (IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES PLC) and in patents EP-A-7674 and EP-A-37140 ( SOLVAY & Cie).
The choice of anode and cathode materials is conditioned by the need for these electrodes to be mechanically and chemically resistant to the conditions of electrolysis. They must also satisfy the condition of carrying out an electrochemical decomposition of water during electrolysis, with the formation of oxygen at the anode and hydrogen at the cathode.
The anode may be a noble metal plate, platinum being preferred. The cathode can be an iron or nickel plate.
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The aqueous solution of alkali metal chloride is advantageously a solution of sodium chloride. It is preferably a saturated solution.
The non-halogenated ionized compound can be any water-soluble compound which is capable of forming an electrolyte after dissolution in water and whose anion is not a halogen and has, vis-à-vis the anode, a higher overvoltage to that of oxygen. Examples of such compounds are hydrogen sulphate, alkali metal sulfates and alkali metal nitrates. Preference is given to hydrogen sulfate and sodium sulfate.
During electrolysis, a direct current is circulated between the anode and the cathode, under a voltage sufficient to cause electrolysis of water. Oxygen is collected on the anode and hydrogen is collected on the cathode. Simultaneously, hydrochloric acid is formed in the intermediate chamber which is contiguous to the anode chamber and alkali metal hydroxide is formed in the cathode chamber. The alkali metal hydroxide solution is drawn off from the cathode chamber and the hydrochloric acid solution from the intermediate chamber which is contiguous to the anode chamber.
In a particular embodiment of the method according to the invention, the oxygen and the hydrogen collected respectively from the anode chamber and from the cathode chamber are reacted to produce hydrogen peroxide.
The invention also relates to an electrolysis cell of new design, designed for carrying out the method according to the invention and comprising, in an enclosure, an anode chamber containing an anode, a cathode chamber containing a cathode and two intermediate chambers , conduits for the admission of electrolytes into the enclosure and conduits for the evacuation of electrolysis products;
according to the invention, a membrane selectively permeable to cations separates the anode chamber from the intermediate chamber adjoining it, a membrane selectively permeable to anions separates the two intermediate chambers, a membrane selectively permeable to
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cations or a diaphragm permeable to aqueous solutions separates the cathode chamber from the intermediate chamber which is contiguous to it, the electrolyte admission conduits comprise a conduit which opens into the anode chamber and a conduit which opens into the intermediate chamber which is contiguous to the cathode chamber, and the conduits for discharging the electrolysis products comprise a conduit in communication with the anode chamber,
at least one conduit in communication with the cathode chamber and one conduit in communication with the intermediate chamber which is contiguous to the anode chamber.
Special features and details of the invention will appear during the following description of the accompanying drawings.
FIG. 1 schematically represents a first embodiment of the cell according to the invention;
FIG. 2 represents a second embodiment of the cell according to the invention.
In these two figures, the same reference notations designate identical elements.
The cell represented in FIG. 1 comprises an enclosure 1 divided into four chambers 2, 3, 4 and 5 by three partitions 6, 7 and 8. Chamber 2 is an anode chamber of the cell and contains an anode 9. Chamber 5 is a cathode chamber and contains a cathode 10. The partitions 6 and 8 are membranes selectively permeable to cations and the partition 7 is a membrane selectively permeable to anions. The chamber 4 is in communication with a conduit 11 for admitting an electrolyte and with a conduit 17 for discharging an electrolyte. The anode chamber 2 is in communication with a conduit 12 for admitting an electrolyte and with a conduit 13 for discharging the products generated in the anode chamber during electrolysis.
Two conduits 14 and 15 are used to evacuate the products generated in the cathode chamber 5 during electrolysis and a conduit 16 is used to evacuate the product generated in the intermediate chamber 3 during electrolysis.
In a particular embodiment of the method according to the invention, implementing the cell of FIG. 1, we
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introduces an approximately saturated aqueous solution of sodium chloride into the chamber 4 via the conduit 11 and an aqueous solution of hydrogen sulphate into the anode chamber 2, via the conduit 12, and a direct current is established between the anode 9 and the cathode 10. Under the effect of the electric field, sodium Na + cations migrate from the intermediate chamber 4 to the cathode chamber 5 by crossing the membrane 8 and chloride anions Cl-migrate from the chamber 4 into the chamber 3 by crossing the membrane 7. In the anode chamber 2, the water undergoes electrolysis, releasing a current of oxygen which is evacuated via line 13, with the hydrogen sulphate solution.
Protons from the anode chamber 2 migrate through the membrane 6 to the intermediate chamber 3 where they combine with the chloride ions from the chamber 4 to form hydrogen chloride. This is dissolved in the water transported by the chloride ions and the protons which have passed through the membranes 4 and 6, so that an aqueous solution of hydrochloric acid is collected from chamber 3 via the evacuation pipe. 16.
In the cathode chamber 5, the water undergoes an electrolysis releasing hydrogen and hydroxyl ions OH-; the hydrogen is evacuated via line 14 and an aqueous solution enriched with sodium hydroxide is collected via line 15. Via the line 17, a dilute solution of sodium chloride is withdrawn from the intermediate chamber 4, which it suffices to resaturate and then return to the cell via the line 11. The aqueous sodium hydroxide solution collected from the chamber 5 contains for example between 25 and 40% by weight of sodium hydroxide.
In the process which has just been described with reference to FIG. 1, it is possible, as a variant, to introduce water into the intermediate chamber 3, via an additional conduit 18, if it is desired to dilute the acid solution hydrochloric product drawn off via line 16. According to another variant, it is also possible to introduce via line 18 a dilute aqueous solution of hydrochloric acid in order to concentrate it in chamber 3 of the cell. According to a further variant of the process, water or a dilute aqueous solution of hydroxide can be introduced.
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sodium in the cathode chamber 5, via an additional conduit 19
The cell according to the invention represented in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 by the partition 8 which is a diaphragm permeable to aqueous solutions.
The diaphragm can advantageously be an asbestos diaphragm such as those commonly used in diaphragm cells intended for the production of chlorine.
When the method according to the invention is carried out in the cell of FIG. 2, the conduit 17 is closed. During electrolysis, the diaphragm is traversed not only by sodium Na + cations, but also by the sodium chloride solution introduced into chamber 4 via line 11. The solution collected from the cathode chamber through line 15 is a solution aqueous sodium chloride and sodium hydroxide, containing for example between 5 and 25% by weight of sodium chloride and between 5 and 30% by weight of sodium hydroxide, similar to the caustic brines generally extracted from the cells of diaphragm electrolysis used for the production of chlorine.
This solution can be evaporated to concentrate it in sodium hydroxide, with crystallization of sodium chloride, or sent to a sodium carbonate manufacturing plant.
In a particular embodiment of the method according to the invention, the oxygen collected from the anode chamber 2 through line 13 is reacted with the hydrogen collected from cathode chamber 5 through line 14, so as to produce hydrogen peroxide.