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On peut utiliser, pour l'électrodialyse, des cuves à compartiments multiples, dans lesquelles les compartiments sont séparés entre eux par des membranes alternées d'échange de cations et d'échange d'anionsoSi tous les compartiments de la cuve sont remplis d'une solution d'un électrolyte et qu'on fait passer un courant continu par la cuve,les cations migrent vers la cathode et les anions, vers lanode. Les cations peuvent traverser une membrane d'échange de cations disposée dans leur parcours, mais non une membrane d'échange d'anions et, pareil-
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lement, les anions peuvent traverser une membrane d'échange d'anions disposée dans leur parcours, mais non une membrane d'échange de cations.
Il s'ensuit que la solution contenue dans les compartiments limités, du côté cathode, par une membrane d'échange de cations et, du côté anode, par une membrane d'échange d'anions, perd de son électrolyte et la solution contenue dans les compartiments limités! du côté cathode,par une membrane d'échange d'anions et, du côté anode, par une membrane d'échange de cations, s'enrichit en électrolyte. Ce fait est bien connu et ces cuves peuvent être utilisées pour transférer des électrolytes d'un liquide à un autre, le premier s'appauvrissant en électrolyte et le second s'enrichissant de manière correspondante en le même électrolyte.
La demanderesse a découvert qu'on peut échanger des ions entre deux solutions d'électrolytes différents, dans une telle cuve, pour former un nouveau produit ionique. Ce produit ioni- que peut être un composé ionique ou bien consister en les ions formés par sa dissociation dans la solution. Grosso modo, l'invention consiste à former un produit ionique en introduisant séparément et simultanément, par électrodialyse, des anions et des cations dans un corps d'un solvant ionisant, les anions étant introduits par une membrane d'échange d'anions depuis une solution d'un premier électrolyte et les cations étant introduits par une membrane d'échange de cations depuis une solution d'un second électrolyte, différent du premier.
Ainsi, la demanderesse convertit deux électrolytes MX et My, où M et N sont des cations et X et Y, des anions, en MY et NX.
Dans une cuve destinée à mettre la présente invention en oeuvre, il y a au moins trois compartiments, dont ceux qui sont limités par une membrane d'échange de cations,du côté cathode,ou par une membrane d'échange d'anions,du côté anode, ou
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les deux, contiennent alternativement la première et la seconne des deux solutions d'électrolyte. Il s'ensuit que, sous l'in- fluence du courant, les cations passent par la membrane d'échande cations et les anions, par la membrane d'échange ge/d'anions, vers le compartiment central ou à produit ou cha- que compartiment à produit, séparant les compartiments qui con- tiennent les deux solutions électrolytiques. Ces ions, après avoir pénétré dans le compartiment central, se combinent pour former le produit de 1} échange.
Il faut observer que, si le courant électrique doit cir- culer initialement, chaque compartiment de produit doit conte- nir initialement des anions et des cations en solution. Avan- tageusement, la solution initiale contient le produit désiré; toutefois, la matière dissoute peut évidemment être tout sel ionisable dont les ions sont inertes vis-à-vis du produit dési- ré. Le terme "inertes" signifie que ces ions ne forment pas, avec une espèce quelconque d'ions pénétrant dans le comparti- ment à produit, des sels qui, du fait de leur solubilité ou pour une autre raison, ne peuvent être aisément séparés du pro- duit désiré.
Si ce produit présente une solubilité convenable dans le solvant, ses propres ions continuent à transporter le courant pendant le fonctionnement en régime, mais si sa solubi- lité est faible, il peut être nécessaire de maintenir une con- centration suffisante d'ions inertes dans le compartiment à produit, pour assurer que la solution présente une conductivité électrique convenable.
Naturellement, le solvant contenu dans le compartiment à produit est généralement l'eau, mais il peut consister en tout autre solvant ionisant, qui peut être un mélange homogène d'eau et d'un liquide non aqueux.
S'il n'y a que trois compartiments, le seul produit est MY ou NX., Dans les processus préférés, on forme toutefois deux
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produits ioniques, dans des corps'séparés de solvant ionisant, à partir de deux solutions électrolytiques initiales, le pre- mier produit prenant ses anions au premier électrolyte et ses cations au second électrolyte et le second produit prenant ses anions au second électrolyte et ses cations au premier. Ainsi, la demanderesse convertit deux électrolytes MX et NY en MY et NX. Par exemple, la demanderesse est apte à convertir le chro- mate de sodium et l'acide sulfurique en sulfate de sodium et en acide chromique ou bien à convertir le sulfate de lithium et la soude caustique en hydroxyde de lithium et en sulfate de sodium.
Ce procédé requiert une cuve ayant au moins cinq com- partiments.
L'invention est particulièrement applicable à la produc- tion de sels en solution, car il est aisé d'évacuer une solu- tion d'un compartiment à produit. Toutefois, si le produit est insoluble ou peu soluble dans la solution du compartiment à produit, il s'y précipite et peut en être évacué de temps en temps.
L'invention va être décrite plus en détail en se référant aux dessins annexés. Chaque figure représente schématiquement une cuve d'électrodialyse; dans chacune de ces cuves, les mem- d'échange branes d'échange de cations sont indiquées par C, les membranes/ d'anions, par A, et les électrodes par les représentations con- ventionnelles ordinaires.
La figure 1 représente une cuve à trois compartiments, les trois compartiments de la cuve portant les références 1, 2 et 3. La cathode se trouve dans le compartiment 1 et l'anode, dans le compartiment 3. Une membrane d'échange d'anions est voisine de la cathode et une membrane d'échange de cations est voisine de l'anode. Initialement, une solution conductrice est mise dans le compartiment du milieu ou à produite 2, une solution
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électrolytique, représentée par MX , dans le compartiment cathodique 1 et une autre solution électrolytique, représentée par NY, dans le compartiment anodique 3 Après le passage du courant continu, les ions X et N ont migré comme l'indiquent les flèches et l'on obtient NX dans le compartiment 2.
Une cuve à cinq compartiments est représentée figure 2 et, dans 'cette cuve, une membrane d'échange d'anions est voisine de la cathode et une membrane d'échange de cations est voisine de 1* anode* La solution conductrice est initialement présente dans les compartiments 2 et 4, une solution électrolyti- que, représentée par MX,dans les compartiments 1 et 5 et une so lution électrolytiquereprésentée par NY, dans le compartiment 3. Lorsqu'un courant continu passe, les ions migrent comme le montrent les flèches et lon obtient NX dans le compartiment 2 et MY dans le compartiment 4.
Dans les compartiments à électrodes, des ions sont évidemment déchargés à lanode et à la cathode et des réactions d'électrode se produisent. Il s'ensuit que les électrolytes doivent, si possible, être initialement disposés dans les compartiments de manière que des anions étrangers ne se forment pas dans le compartiment cathodique ni des cations étrangers dans le compartiment anodique, car ces ions tendent à migrer dans les compartiments voisins à produits et à contaminer le produit.
Ainsi, si le compartiment cathodique contient un sel sodique, des ions hydroxyles se forment généralement à la cathode, qui tendent à migrer par la membrane d'échange d'anions, avec les anions du sel
Si les électrolytes ne peuvent être disposés de manière qu'il ne se forme aucun ion gênant lorsque les compartiments à électrodes contiennent des solutions prenant part à l'échange, les perturbations peuvent être/écartées en plaçant une des électrodes ou les deux, selon le casdans des compartiments supplé-
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dentaires séparés, aux bouts de la cuve. Le compartiment cathodique est alors séparé du compartiment voisin par une membrane d'échange de cations et le compartiment anodique, par une membrane d'échange d'anions.
Les compartiments à électrodes doivent évidenment contenir un électrolyte, pour maintenir la con- tinuité électrique dans la cuve ; les ions de ces com- partiments ne peuvent en sortir, car les anions du compartiment cathodique sont arrêtés par la membrane d'échange de cations et les calions du compartiment anodique sont arrêtés par la membrane d'échange d'anions. Avantageusement, les compartiments à électrodes contiennent des solutions ayant des tensions de décharge aussi faibles que possible, ce qui réduit la tension aux bornes de la cuve.
Une variante de la cuve à cinq compartiments de la figure 2, obtenue par ltaddition de compartiments anodique et cathodique séparés, est celle de la cuve à sept compartiments de la figure 3. Dans cette figure, les compartiments 1 et 7 sont des compartiments à électrodes. Les compartiments 2 et 6 contiennent initialement MX et le compartiment 4 contient initialement NY.
Lorsque passe le courant continu, NX se forme dans le compartiment 3 et MY dans le compartiment 5.
Le procédé peut être mis en oeuvre de manière discontinue c'est-à-dire que les solutions d'électrolyte et la solution ou les solutions réceptrices peuvent être statiques dans la cuve et le courant est alors admis jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de migrations d'ions; toutefois, il est préférable que les solutions s'écoulent continûment dans la cuve. Il est avantageux d'employer une cuve comportant un grand nombre de compartiments, afin de réduire l'importance des pertes causées par la décharge des ions aux électrodes et de réduire l'effet de l'électrode et de la surtension.
La figure 1.. représente une cuve composée
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de 41 compartiments par lesquels les solutions s'écoulent confia nûment. Quatre écoulements liquides passent par la cuve, comme l'indiquent les quatre lignes I !le III et IV Si l'on caractérise les écoulements par leur compo sition au moment de leur pé- nétration dans la cuve, les écoulements I et III sont des solutions électrolytiques et les écoulements II et IV sont des solutions réceptrices
A titre d'exemple,la demanderesse a employé une cuve construite selon la figure 4 pour convertir l'acide sulfurique et le chromate de sodium en acide chromique et en sulfate de sodium,
tous en solution aqueuseLes compartiments étaient limités par des membranes d'échange d'ions du type hétérogène, les membranes d'échange de cations contenant des résines comportant des groupes acide sulfonique et les membranes d'échange d'anions contenant des résines comportant des groupes quaternaires ammonium. Chaque membrane présentait une surface de 220 cm2 au liquide de chaque compartiment. Les membranes étaient séparées entre elles par des garnitures de chlorure de polyvinyle plastifié de 1,3 mm d'épaisseur.
Des quatre écoulements de liquide introduits dans la cuve, tous à température ordinaire, l'écoulement I était une solution 0,4N d'acide sulfurique, l'écoulement II était une solution 0,2N de chromate de sodium et les écoulements II et IV étaient respectivement des solutions 0,005N de sulfate de sodium et d'acide chromique.
Une tension continue de 40 volts fut appliquée aux électrodes et les quatre écoulements furent acheminés dans la cuve avec un débit de 200 cc par minute pendant 15 minutes.
L'écoulement effluent IV fut trouvé être une solution 0,19N d'acide chromique et l'écoulement effluent II, une solution 0,19N de sulfate de sodiumo
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Du fait que les deux compartiments à électrodes conte- naient de l'acide sulfurique, aucun ion ne se forma par réac- tion d'électrode qui aurait pu contaminer le produit.
L'invention est appliquée le plus utilement pour le traitement des solutions de concentration supérieure à environ 0,05N et il est généralement désirable de garder les concen- trations aussi grandes que possible, car la résistance électri- que de la cuve et, donc, la puissance requise pour obtenir une intensité donnée d'échange d'ions, augmentent lors d'une dimi- nution de la concentration électrolytique. Des solutions d'une concentration inférieure peuvent être traitées si les comparti- ments sont bourrés d'un mélange de résines d'échange d'anions et d'échange de cations, sous forme granulée. Cette mesure fait diminuer la résistance interne de la cuve.
REVENDICATIONS
1. Procédé de formation d'un produit ionique, qui com- prend l'introduction séparée et simultanée d'anions et de ca- tions, dans un corps de solvant ionisant, par l'électrodialyse, les anions étant introduits par une membrane d'échange d'anions depuis une solution d'un premier électrolyte et les cations étant introduit par une membrane d'échange de cations depuis une solution d'un second électrolyte, différent du premier.
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Multicompartment vessels can be used for electrodialysis, in which the compartments are separated from each other by alternating cation exchange and anion exchange membranes If all the compartments of the vessel are filled with a solution of an electrolyte and that a direct current is passed through the tank, the cations migrate towards the cathode and the anions, towards the anode. Cations can pass through a cation exchange membrane arranged in their path, but not an anion exchange membrane and, similar-
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Lally, the anions can pass through an anion exchange membrane arranged in their path, but not a cation exchange membrane.
It follows that the solution contained in the limited compartments, on the cathode side, by a cation exchange membrane and, on the anode side, by an anion exchange membrane, loses its electrolyte and the solution contained in the limited compartments! on the cathode side, by an anion exchange membrane and, on the anode side, by a cation exchange membrane, is enriched in electrolyte. This fact is well known and these cells can be used to transfer electrolytes from one liquid to another, the former becoming depleted in electrolyte and the latter being correspondingly enriched in the same electrolyte.
The Applicant has discovered that it is possible to exchange ions between two solutions of different electrolytes, in such a tank, to form a new ionic product. This ionic product can be an ionic compound or else consist of the ions formed by its dissociation in solution. Roughly speaking, the invention consists in forming an ionic product by introducing separately and simultaneously, by electrodialysis, anions and cations into a body of an ionizing solvent, the anions being introduced through an anion exchange membrane from a solution of a first electrolyte and the cations being introduced through a cation exchange membrane from a solution of a second electrolyte, different from the first.
Thus, the Applicant converts two electrolytes MX and My, where M and N are cations and X and Y, anions, into MY and NX.
In a vessel intended to carry out the present invention, there are at least three compartments, including those which are limited by a cation exchange membrane, on the cathode side, or by an anion exchange membrane, of the anode side, or
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the two alternately contain the first and the second of the two electrolyte solutions. It follows that, under the influence of the current, the cations pass through the cation exchange membrane and the anions, through the ge / anion exchange membrane, to the central or product compartment or cha - as a product compartment, separating the compartments which contain the two electrolytic solutions. These ions, after entering the central compartment, combine to form the exchange product.
Note that if electric current is to flow initially, each product compartment must initially contain anions and cations in solution. Advantageously, the initial solution contains the desired product; however, the dissolved material can of course be any ionizable salt whose ions are inert to the desired product. The term "inert" means that these ions do not, with any species of ions entering the product compartment, form salts which, due to their solubility or for some other reason, cannot be readily separated from the product. desired product.
If this product has a suitable solubility in the solvent, its own ions continue to carry current during steady-state operation, but if its solubility is low it may be necessary to maintain a sufficient concentration of inert ions in the product. the product compartment, to ensure that the solution has a suitable electrical conductivity.
Of course, the solvent contained in the product compartment is generally water, but it can consist of any other ionizing solvent, which can be a homogeneous mixture of water and a non-aqueous liquid.
If there are only three compartments, the only product is MY or NX., In the preferred processes, however, two
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ionic products, in separate bodies of ionizing solvent, from two initial electrolytic solutions, the first product taking its anions from the first electrolyte and its cations from the second electrolyte and the second product taking its anions from the second electrolyte and its cations at first. Thus, the Applicant converts two electrolytes MX and NY into MY and NX. For example, the Applicant is capable of converting sodium chromate and sulfuric acid into sodium sulphate and chromic acid or else of converting lithium sulphate and caustic soda into lithium hydroxide and sodium sulphate.
This process requires a vessel having at least five compartments.
The invention is particularly applicable to the production of salts in solution, since it is easy to drain a solution from a product compartment. However, if the product is insoluble or sparingly soluble in the solution in the product compartment, it will precipitate there and can be drained from time to time.
The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Each figure schematically represents an electrodialysis tank; in each of these vessels, cation exchange exchange membranes are indicated by C, membranes / anions by A, and electrodes by ordinary conventional representations.
FIG. 1 shows a vessel with three compartments, the three compartments of the vessel bearing the references 1, 2 and 3. The cathode is located in compartment 1 and the anode is in compartment 3. An exchange membrane. anion is close to the cathode and a cation exchange membrane is close to the anode. Initially, a conductive solution is put in the middle compartment or to produce 2, a solution
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electrolytic solution, represented by MX, in the cathode compartment 1 and another electrolytic solution, represented by NY, in the anode compartment 3 After the passage of direct current, the ions X and N have migrated as indicated by the arrows and one gets NX in compartment 2.
A five-compartment cell is shown in Figure 2, and in this cell an anion exchange membrane is adjacent to the cathode and a cation exchange membrane is adjacent to the anode * The conductive solution is initially present. in compartments 2 and 4, an electrolytic solution, represented by MX, in compartments 1 and 5 and an electrolytic solution represented by NY, in compartment 3. When a direct current flows, the ions migrate as shown in the arrows and we get NX in compartment 2 and MY in compartment 4.
In the electrode compartments, ions are obviously discharged at the anode and at the cathode and electrode reactions occur. It follows that the electrolytes should, if possible, be initially arranged in the compartments so that foreign anions do not form in the cathode compartment nor foreign cations in the anode compartment, because these ions tend to migrate into the compartments. neighbors to products and contaminate the product.
Thus, if the cathode compartment contains a sodium salt, hydroxyl ions are generally formed at the cathode, which tend to migrate through the anion exchange membrane, with the anions of the salt.
If the electrolytes cannot be arranged so that no troublesome ions form when the electrode compartments contain solutions taking part in the exchange, the disturbances can be / removed by placing one or both electrodes, depending on the cases in additional compartments
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teeth separated, at the ends of the tank. The cathode compartment is then separated from the neighboring compartment by a cation exchange membrane and the anode compartment by an anion exchange membrane.
The electrode compartments must obviously contain an electrolyte, in order to maintain electrical continuity in the cell; ions from these compartments cannot leave them because the anions in the cathode compartment are stopped by the cation exchange membrane and the calions in the anode compartment are stopped by the anion exchange membrane. Advantageously, the electrode compartments contain solutions having discharge voltages as low as possible, which reduces the voltage at the terminals of the tank.
A variant of the cell with five compartments of figure 2, obtained by the addition of separate anode and cathode compartments, is that of the cell with seven compartments of figure 3. In this figure, the compartments 1 and 7 are electrode compartments. . Compartments 2 and 6 initially contain MX and compartment 4 initially contains NY.
When direct current flows, NX forms in compartment 3 and MY in compartment 5.
The process can be carried out in a discontinuous manner, that is to say that the electrolyte solutions and the receiving solution or solutions can be static in the tank and the current is then admitted until no there is more ion migration; however, it is preferred that the solutions flow continuously into the vessel. It is advantageous to use a tank having a large number of compartments, in order to reduce the magnitude of the losses caused by the discharge of ions at the electrodes and to reduce the effect of the electrode and of the overvoltage.
Figure 1 .. shows a compound tank
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of 41 compartments through which the solutions flow confidently. Four liquid flows pass through the tank, as indicated by the four lines I! Le III and IV If we characterize the flows by their composition at the time of their entry into the tank, the flows I and III are electrolyte solutions and flows II and IV are receiving solutions
By way of example, the Applicant has used a tank constructed according to FIG. 4 to convert sulfuric acid and sodium chromate into chromic acid and sodium sulfate,
all in aqueous solution The compartments were bounded by ion exchange membranes of the heterogeneous type, cation exchange membranes containing resins with sulfonic acid groups, and anion exchange membranes containing resins with sulfonic acid groups. quaternary ammonium. Each membrane had a surface area of 220 cm 2 to the liquid of each compartment. The membranes were separated from each other by linings of plasticized polyvinyl chloride 1.3 mm thick.
Of the four liquid flows introduced into the tank, all at room temperature, flow I was a 0.4N solution of sulfuric acid, flow II was a 0.2N solution of sodium chromate and flows II and IV were 0.005N solutions of sodium sulfate and chromic acid, respectively.
A direct voltage of 40 volts was applied to the electrodes and the four flows were delivered to the vessel at a rate of 200 cc per minute for 15 minutes.
The effluent flow IV was found to be a 0.19N solution of chromic acid and the effluent II flow a 0.19N solution of sodium sulfate.
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Because both electrode compartments contained sulfuric acid, no ion formed by electrode reaction which could have contaminated the product.
The invention is most usefully applied for the treatment of solutions of concentration greater than about 0.05N and it is generally desirable to keep the concentrations as large as possible, since the electrical resistance of the tank and, therefore, the power required to obtain a given intensity of ion exchange increases with a decrease in the electrolytic concentration. Solutions of a lower concentration can be processed if the compartments are filled with a mixture of anion exchange and cation exchange resins, in granular form. This measure decreases the internal resistance of the tank.
CLAIMS
1. A method of forming an ionic product, which comprises the separate and simultaneous introduction of anions and cations, into a body of ionizing solvent, by electrodialysis, the anions being introduced through a membrane of 'anion exchange from a solution of a first electrolyte and the cations being introduced through a cation exchange membrane from a solution of a second electrolyte, different from the first.