CN107298644A - 双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，设置三室两膜法电渗析装置，利用双极膜电渗析工艺将四甲基碳酸氢铵电解为季铵根离子和相应的碳酸氢根离子，双极膜可以同时水解离生成氢离子与氢氧根离子，利用离子交换膜的选择透过性。在外加电驱动力的作用下，使离子透过相应的离子交换膜，其中季铵根离子与氢氧根离子结合生成四甲基氢氧化铵，氢离子与四甲基碳酸氢铵电解产生的碳酸根离子结合生成酸。本发明制备四甲基氢氧化铵，选用四甲基碳酸氢铵为原料，在双极膜电渗析过程中，不需要额外添加化学物质，过程中得到的碳酸解离为二氧化碳和水，环境友好，降低其能源消耗。

Description

双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法

技术领域

本发明涉及，尤其是一种双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法。

背景技术

目前，四甲基氢氧化铵(TMAH)是一种与NaOH、KOH等无机碱碱性相当的有机强碱。四甲基氢氧化铵相比于其他季铵类氢氧化物具有在低温加热时即可分解的特性，被广泛应用于工业催化和电子工业等领域。国内外市场上的四甲基氢氧化铵产品主要分为电子级和工业级两大类。电子级的TMAH在电子行业中广泛用作硅晶片蚀刻剂，CMP过程清洗剂，IC及TFT-LCD正胶显影剂，全球用量大概为20000t/a。

双极膜(BM)内部能发生水分子自解离过程是一种新型复合离子交换膜。据理论计算，双极膜内水分子解离过程所需能耗约79.9kJ/mol，而直接电解水所需能耗为198.5kJ/mol，因此，双极膜能够有效的节约电能。双极膜与传统电渗析相结合，构成双极膜电渗析(BMED)系统，能够避免传统电渗析过程中电极腐蚀、产生气体等缺点，BMED在传统化工分离与纯化工艺过程的革新改造、绿色生产和发展循环经济中，占有越来越重要的地位。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，该方法运用第一双极膜、阳离子交换膜、第二双极膜交替排列，组成三室两膜隔室的双极膜电渗析装置。利用该装置处理四甲基氢氧化铵水溶液制备四甲基氢氧化铵水溶液，利用离子交换膜的选择透过性实现四甲基氢氧化铵产品的合成。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，所述双极膜电渗析装置包括膜组件，所述膜组件由依次分布的第一极液室、电渗析隔室、第二极液室组成，所述电渗析隔室有若干个，所述电渗析隔室包括依次排列的第一双极膜、阳离子交换膜、第二双极膜组成；所述第一双极膜与阳离子交换膜之间构成原料室，所述阳离子交换膜与第二双极膜之间构成产品室；制备步骤为：首先，配置浓度为0.3-2.5mol/L四甲基碳酸氢铵水溶液；然后，将配制好的四甲基碳酸氢铵水溶液加入到所述原料室、将稀硫酸水溶液加入所述第一极液室和第二极液室内、将去离子水加入所述产品室；随后，在外加电驱动力的作用下进行电化学反应，在室温下进行且反应温度不高于40℃；最后，当所述原料室中的料液电导率低于2000us/cm时停止，得到四甲基氢氧化铵。

于本发明一实施例中，所述双极膜电渗析装置加有直流电源提供所述外加电驱动力，所述外加直流电源的电流为50-140A·m^-2。

于本发明一实施例中，所述第一双极膜和第二双极膜为单膜法或双膜法制备的双极膜。

于本发明一实施例中，所述阳离子交换膜为均相模。

于本发明一实施例中，所述第一双极膜、阳离子交换膜和第二双极膜三者的有效面积相同。

于本发明一实施例中，所述电渗析隔室外接循环冷冻盐水循环盘管，分别对所述第一极液室、电渗析隔室、及第二极液室进行温度控制。

于本发明一实施例中，所述若干个电渗析隔室串联。

于本发明一实施例中，所述电渗析隔室的个数为5-10个。

本技术方案具有以下有益效果：

本发明选用四甲基碳酸氢铵(TMAHC)作为原料，采用双极膜电渗析装置水解四甲基碳酸氢铵水制备四甲基氢氧化铵，制备过程中仅有水、CO₂气体以及产品四甲基氢氧化铵生成，其中CO₂气体可通过捕集处理，有效提高季铵碱的纯度，工艺绿色环保。同时本发明在制备四甲基氢氧化铵的过程中避免氯气、氧气等气体生成，避免额外引入酸和碱，降低了能耗，提高了产品纯度，并且达到环境友好型的制备双季铵碱的目的。

附图说明

图1是本发明双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵流程图；

图2是本发明双极膜电渗析装置膜组件的构型图；

图3是本发明实施例1中的试验结果分析图；

图4是本发明实施例2中的试验结果分析图。

100、电极；11、第一极液室；12、第二极液室；31、第一双极膜；22、阳离子交换膜；32、第二双极膜；2、原料室；3、产品室。

具体实施方式

下面结合实施例及附图1至4对本发明作进一步描述。

实施例1

采用双极膜电渗析装置处理四甲基碳酸氢铵水溶液制备四甲基氢氧化铵水溶液，电极100采用的钛涂钌电极。配制相同浓度的四甲基碳酸氢铵水溶液，采用双极膜电渗析装置进行实验。所述膜组件为如图2，所述第一双极膜31、阳离子交换膜22、及第二双极膜32有效面积均相同。所述第一极液室11、第二极液室12中加入500ml、0.3mol/L的稀硫酸水溶液；所述第一双极膜31与阳离子交换膜22之间构成原料室2，也称为酸液室，加入500ml四甲基碳酸氢铵水溶液；所述阳离子交换膜22与第二双极膜32之间构成产品室3，也称为碱液室，加入500ml去离子水。在四甲基碳酸氢铵水溶液浓度为0.3mol/L、操作电流分别为50A·m^-2、80A·m^-2、110A·m^-2、140A·m^-2下运行实验，控制第一极液室11、电渗析隔室、及第二极液室12内的温度不高于40℃。实验运行至酸液室中料液电导率低于2000us/cm时，终止实验。实验结果数据分析如图3所示，碱液室中四甲基氢氧化铵的收率最高可达到94.5％。酸液室中，碳酸解离为水和二氧化碳，二氧化碳可通过捕集处理。

实施例2

采用双极膜电渗析装置处理四甲基碳酸氢铵水溶液制备四甲基氢氧化铵溶液，电极100采用的钛涂钌电极。配制不同浓度的四甲基碳酸氢铵水溶液，采用双极膜电渗析装置进行实验。所述膜组件构型如图2，所述第一双极膜31、阳离子交换膜22、及第二双极膜32有效面积均相同。所述第一双极膜31与阳离子交换膜22之间构成原料室2，也称为酸液室；所述阳离子交换膜22与第二双极膜32之间构成产品室3，也称为碱液室。所述第一极液室11、第二极液室12中加入500ml、0.3mol/L的稀硫酸水溶液，所述酸液室加入500ml四甲基碳酸氢铵水溶液，所述碱液室均加入500ml去离子水。在操作电流为110A·m^-2、原料液浓度分别为1.0mol/L、1.5mol/L、2.0mol/L、2.5mol/L的条件下运行实验，控制其温度不高于40℃。实验运行至酸液室中料液电导率低于2000us/cm时，终止实验。其实验结果分析如图4，碱室中四甲基氢氧化铵的收率最高可达到96.2％。碳酸解离为水和二氧化碳，二氧化碳可通过捕集处理。

上述具体实施例只是用来解释说明本发明，而非是对本发明进行限制，在本发明的宗旨和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何不付出创造性劳动的替换和改变，皆落入本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述双极膜电渗析装置包括膜组件，所述膜组件由依次分布的第一极液室、电渗析隔室、第二极液室组成，所述电渗析隔室有若干个，所述电渗析隔室包括依次排列的第一双极膜、阳离子交换膜、第二双极膜组成；所述第一双极膜与阳离子交换膜之间构成原料室，所述阳离子交换膜与第二双极膜之间构成产品室；制备步骤为：首先，配置浓度为0.3-2.5mol/L四甲基碳酸氢铵水溶液；然后，将配制好的四甲基碳酸氢铵水溶液加入到所述原料室、将浓度为0.5-2.0％稀硫酸水溶液加入所述第一极液室和第二极液室内、将去离子水加入所述产品室；随后，在外加电驱动力的作用下进行电化学反应，反应温度不高于40℃；最后，当所述原料室中的料液电导率低于2000us/cm时停止，得到四甲基氢氧化铵。

2.根据权利要求1所述的双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述双极膜电渗析装置加有直流电源提供所述外加电驱动力，所述外加直流电源的电流为50-140A·m^-2。

3.根据权利要求1所述的双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述第一双极膜和第二双极膜为单膜法或双膜法制备的双极膜。

4.根据权利要求1所述的双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述阳离子交换膜为均相模。

5.根据权利要求1所述的双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述第一双极膜、阳离子交换膜和第二双极膜三者的有效面积相同。

6.根据权利要求1所述的双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述电渗析隔室外接循环冷冻盐水循环盘管，以对所述第一极液室、电渗析隔室、及第二极液室进行温度控制。

7.根据权利要求1至6任一所述的双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述若干个电渗析隔室串联。

8.根据权利要求7所述的双极膜电渗析装置制备四甲基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述电渗析隔室的个数为5-10个。