CN109134266A - 一种基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法 - Google Patents

一种基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法 Download PDF

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    • B01D61/445—Ion-selective electrodialysis with bipolar membranes; Water splitting

Abstract

一种基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法，该方法采用的双极膜电渗析装置的膜堆由若干组膜堆单元组成，膜堆单元中阴离子交换膜、阳离子交换膜和复合双极膜依次间隔排列构成原料室、碱室、酸室；其中阳极室和阴极室中通入初始浓度为0.01～2.0mol/L的四丙基氢氧化铵水溶液，在碱室通入初始浓度为0.01～2.0mol/L四丙基氢氧化铵，在酸室通入初始浓度为0.01～2.0mol/L氢溴酸。采用本方案进行四丙基氢氧化铵的制备，其可有效降低四丙基氢氧化铵成品中杂质卤素离子的含量，从而提高四丙基氢氧化铵的浓度与纯度，同时提供电流效率。

Description

一种基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法
技术领域
本发明涉及一种四丙基氢氧化铵的制备方法，具体为一种基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法
背景技术
四丙基氢氧化铵(TPAOH)是一种季铵碱，其在工业领域有广泛的用途，如在半导体行业作为有机蚀刻剂，作为基础有机化学试剂，与各种不同的酸反应制备相应的铵盐，作为相转移催化剂，作为沸石分子筛合成过程的模板剂等等。随着社会的发展和技术的进步，工业应用中对四丙基氢氧化铵的浓度和纯度都提出了更高的要求。如合成TS-1分子筛所需模板剂，其要求四丙基氢氧化铵的质量分数达到25％，且其中杂质离子如钠、钾离子等碱金属、碱土金属离子浓度总合需小于25ppm，溴离子、氯离子的浓度小于500ppm。工业上常用的传统制备四丙基氢氧化铵的方法主要有：氧化银法、氢氧化钾法、电解法；新型的制备方法主要包括：离子交换法、离子膜电解法、双极膜电渗析法等等。
国家知识产权局于2013年9月11日公开了公开号为102531927B，名称为“一种利用双极膜电渗析制备四丙基氢氧化铵的方法”的发明专利，该专利提供了一种利用双极膜电渗析制备四丙基氢氧化铵的方法。该发明的方法包括如下步骤：以四丙基季铵盐水溶液作为原料，经微孔过滤器处理后，进入双极膜双极膜电渗析装置的料液室，酸室和碱室分别加入水，极液室分别加入硫酸钠溶液，以此实现四氨基氢氧化铵溶液的制备，同时，酸室中的氢溴酸溶液回收利用。
上述专利是采用双极膜电渗析法以四丙基溴化铵以原料制备四丙基氢氧化铵，但产品浓度不高，要达到工业使用要求还需进一步浓缩；此方法电极室液体使用的是硫酸钠，钠离子和硫酸根会穿过离子交换膜进入碱室，造成产品四丙基氢氧化铵中杂质钠离子和硫酸根浓度高；初始酸室和碱室中使用的是去离子水，去离子水电导率低，在反应初期装置电压高，电解速度慢，能耗高，且易造成阴、阳离子交换膜的损坏，膜堆寿命减少；原料转化率不高，为了得到一定浓度的产物，需要向原料室补加原料；此方法所用的装置复杂，需要2至5个双极膜双极膜电渗析装置串联或并联组成，设备费用高，使生产成本高。
此外，国家知识产权局于2011年4月27日公开了一件公开号为102030662A，名称为“一种四丙基氢氧化铵的制备方法”的发明专利，该专利提供了一种四丙基氢氧化铵的制备方法。
该专利采用工业上的传统制备方法：氢氧化钾法。此方法制备的产物中会带入一定的钠、钾、卤素等杂质离子，由于纯度不高，产品在某些领域无法使用，如模板剂或电子领域。
发明内容
为解决现有技术存在四丙基氢氧化铵的纯化方法容易引入杂质的缺陷，本发明提供一种基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法。
本发明的基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法采用如下双极膜电渗析装置完成：
双极膜电渗析装置的膜堆由若干组膜堆单元组成，所述膜堆单元由一张阳离子膜、一张阴离子膜和一张复合双极膜构成，且阴离子交换膜、阳离子交换膜和复合双极膜依次间隔排列构成原料室、碱室、酸室；在膜堆两侧分别设置一个与直流电源的正极连接的阳极和一个与直流电源的负极连接的阴极，阳极与复合双极膜构成阳极室，阴极与复合双极膜构成阴极室；
其中阳极室和阴极室中通入初始浓度为0.01～2.0mol/L的四丙基氢氧化铵水溶液，在碱室通入初始浓度为0.01～2.0mol/L四丙基氢氧化铵，在酸室通入初始浓度为0.01 ～2.0mol/L氢溴酸。对酸室内的氢溴酸的摩尔浓度进行控制的方法为：实时监控酸室内的氢溴酸的摩尔浓度，当氢溴酸的摩尔浓度超过1mol/L时，通过放出部分氢溴酸，并添加去离子水以降低酸室内氢溴酸的摩尔浓度。
优选的，膜堆单元的电压为1～5.0伏，电流密度为0.01～500A/m2，温度为0～60℃，膜堆单元的各室内溶液的流速为0.01～200L/H，优选的流速为150L/h。
当原料室中四丙基溴化铵水溶液液面小于1L时，停止设备运行。
优选的，膜堆单元的组数为2～200组。优选为5至20组。
优选的，所述酸室中通入初始浓度为0.1～0.5mol/L的氢溴酸。
进一步的，所述阴离子交换膜采用耐四丙基氢氧化铵和四丙基溴化铵的阴离子交换膜，所述阳离子交换膜采用耐四丙基氢氧化铵、四丙基溴化铵的阳离子交换膜，且二者均采用均质膜。所述复合双极膜为商业双极膜进过阳离子层复合改性的。
进一步的，采用单个双极膜电渗析装置进行制备。
有益效果：本发明可有效降低四丙基氢氧化铵成品中杂质卤素离子的含量，从而提高四丙基氢氧化铵的浓度与纯度。
附图说明
图1：本发明的双极膜电渗析装置的膜堆内部示意图；
在附图中C，阳离子膜；A，阴离子膜；CBP，复合双极膜；1，阳极室；2，原料室；3，碱室；4，阴极室。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1
一种基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法采用如下双极膜电渗析装置完成：
双极膜电渗析装置的膜堆由若干组膜堆单元组成，所述膜堆单元由一张阳离子膜、一张阴离子膜和一张复合双极膜构成，且阴离子交换膜、阳离子交换膜和复合双极膜依次间隔排列构成原料室、碱室、酸室；在膜堆两侧分别设置一个与直流电源的正极连接的阳极和一个与直流电源的负极连接的阴极，阳极与复合双极膜构成阳极室，阴极与复合双极膜构成阴极室；
阳离子交换膜、阴离子交换膜和复合双极膜的单张有效面积均为200dm2，膜堆单元总数为20；双极膜电渗析装置上设置有换热器，其安装在储槽内部，向其导入循环水进行冷却。
在阳极室和阴极室中通入初始浓度为0.5mol/L的四丙基氢氧化铵。在原料室通入摩尔浓度为2mol/L的四丙基溴化铵溶液，在碱室中通入0.1mol/L四丙基氢氧化铵，酸室中通入0.1mol/L氢溴酸；电流密度500A/m2，温度为40℃，初始电压75伏，膜堆各个室内溶液的流速为150L/h；电解1小时，停止设备运行。用上述方案进行四丙基氢氧化铵的制备，其在碱室中所获得的四丙基氢氧化铵溶液体积为4.3升，摩尔浓度为1.36mol/L，其中，杂质离子溴离子浓度为156ppm，杂质离子钠离子与钾离子的浓度总和为4.5pmm,硫酸根小于0.1ppm；同时，酸室中获得的氢溴酸溶液体积为1.86升，摩尔浓度为1.88mol/L。电流效率为74.7％
实施例2
本实施例的双极膜电渗析装置和步骤同实施例1，在阳极室和阴极室中通入0.5mol/L四丙基氢氧化铵水溶液，原料室中通入摩尔浓度为2mol/L的四丙基溴化铵水溶液，碱室中通入0.1mol/L四丙基氢氧化铵，酸室中通入0.1mol/L氢溴酸；电流密度500A/m2，温度为40℃，初始电压65伏，膜堆各个室内溶液的流速为180L/h；电解1小时，停止设备运行。用上述方案进行四丙基氢氧化铵的制备，其在碱室中所获得的四丙基氢氧化铵溶液体积为4.02升，摩尔浓度为1.26mol/L，质量分数为25.6％，其中，杂质离子溴离子浓度为2256ppm，杂质离子钠离子与钾离子的浓度总和为3.5pmm,硫酸根小于0.1ppm；同时，酸室中获得的氢溴酸溶液体积为1.66升，摩尔浓度为1.82mol/L。电流效率为64.6％
实施例3
本实施例的双极膜电渗析装置和步骤同实施例1，在电极室中通入中通入0.5mol/L四丙基氢氧化铵水溶液，原料室中通入摩尔浓度为2mol/L的四丙基溴化铵水溶液，碱室中通入0.1mol/L四丙基氢氧化铵，酸室中控制氢溴酸浓度在0.3～0.4mol/L范围内；电流密度500A/m2，温度为40℃，初始电压80伏，膜堆各个室内溶液的流速为100L/h；电解1小时，停止设备运行。用上述方案进行四丙基氢氧化铵的制备，其在碱室中所获得的四丙基氢氧化铵溶液体积为4.52升，摩尔浓度为1.38mol/L，其中，杂质离子溴离子浓度为56ppm，杂质离子钠离子与钾离子的浓度总和为3.1pmm,硫酸根小于0.1ppm；同时，酸室中获得的氢溴酸溶液总体积为9.8升，摩尔浓度为0.382mol/L。电流效率为79.8％。

Claims (6)

1.一种基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法，其特征在于，该方法采用如下双极膜电渗析装置完成：
双极膜电渗析装置的膜堆由若干组膜堆单元组成，所述膜堆单元由一张阳离子膜、一张阴离子膜和一张复合双极膜构成，且阴离子交换膜、阳离子交换膜和复合双极膜依次间隔排列构成原料室、碱室、酸室；在膜堆两侧分别设置一个与直流电源的正极连接的阳极和一个与直流电源的负极连接的阴极，阳极与复合双极膜构成阳极室，阴极与复合双极膜构成阴极室；
其中阳极室和阴极室中通入初始浓度为0.01～2.0mol/L的四丙基氢氧化铵水溶液，在碱室通入初始浓度为0.01～2.0mol/L四丙基氢氧化铵，在酸室通入初始浓度为0.01～2.0mol/L氢溴酸。
2.如权利要求1所述的基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法，其特征在于，膜堆单元的电压为1～5.0伏，电流密为0.01～500A/m2，温度为0～60℃，膜堆单元的各室内溶液的流速为0.01～200L/H。
3.如权利要求1所述的基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法，其特征在于，膜堆单元的组数为2～200组。
4.如权利要求1所述的基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述酸室中通入初始浓度为0.1～0.5mol/L的氢溴酸。
5.如权利要求1所述的基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述原料室中四丙基溴化铵水溶液的初始容量至少为1.5L。
6.如权利要求1所述的基于复合双极膜电解制备高纯四丙基氢氧化铵的方法，其特征在于，所述的阳离子交换膜和阴离子交换膜均为均质膜，所述的复合双极膜为阳离子膜复合双极膜。
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