CN110158114A - 一种制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统和方法。以四烷基卤化铵水溶液为原料，通过电解装置生成四烷基氢氧化铵。三膜四室电解装置包含产品室、原料室、隔离室和副产室以及均相阳膜、第一均相阴膜、第二均相阴膜，其中负电极板和均相阳膜形成产品室、均相阳膜和第一均相阴膜形成原料室、第一均相阴膜和第二均相阴膜形成隔离室、第二均相阴膜和正电极板形成副产室；四烷基卤化铵水溶液电离后，阳离子R4N+通过均相阳膜生成四烷基氢氧化铵，阴离子X‑通过第一层阴膜，再通过第二层阴膜最终进入副产槽被氢氧化钠溶液中和。隔离槽的作用是防止氢氧化钠溶液中Na+进入产品槽影响产品的纯度，由于隔离槽的存在，产品中Na+含量控制在10ppm以下。

Description

一种制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统和方法
技术领域
本发明涉及一种制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统和方法，属于电化学技术领域。
背景技术
电解是指电流通过物质而引起化学变化的过程。已广泛用于有色金属冶炼、氯碱和无机盐生产以及有机化学工业。电解过程是在电解池中进行的。电解池是由分别浸没在含有正、负离子的溶液中的阴、阳两个电极构成。电流流进负电极(阴极)，溶液中带正电荷的正离子迁移到阴极，并与电子结合，变成中性的元素或分子；带负电荷的负离子迁移到另一电极(阳极)，给出电子，变成中性元素或分子。
四烷基氢氧化铵是常用的模板剂，模板剂在催化剂的制备过程中起到结构向导作用，四烷基氢氧化铵可以作为ZSM-5、纯硅分子筛、钛硅分子筛等重要分子筛的模板剂。
目前，工业上的四烷基氢氧化铵主要由相应的季铵盐制备得到，常用的方法有三种，包括氧化银法、离子交换树脂法和电解法。
氧化银法主要是利用四烷基溴化铵盐在升温的条件下与氧化银反应，生成AgBr和四烷基氢氧化铵。该方法生产的四烷基氢氧化铵产品纯度可以满足作为腐蚀试剂的使用要求，但由于此方法采用了较昂贵的含银原料，因此生产成本较高，产量小。
离子交换法以四烷基溴化铵为原料，在离子交换树脂和碱液中进行离子交换。该方法受离子交换反应平衡限制，产品的转化率较低，从而导致在生产的四烷基氢氧化铵溶液中含有一定浓度的四烷基氢氧化铵，其产品纯度很难满足高端技术方面的使用要求；而且使用离子交换法生产反应周期长，交换树脂再生时容易带入Na+离子，而Na+离子含量高低对分子筛性能有重要影响；再者使用离子交换法生产工艺，会产生大量的废水。
目前国内有利用三室两膜电解法电解四丙基溴化铵制备四丙基氢氧化铵的工艺，本发明比上述方法多一个隔离室，可有效的防止电解产物中的Na+进入产品槽，可显著降低产品中钠离子含量，为产品的进一步工业化应用提供保障。
发明内容
本发明的关键技术在于在电解装置系统中添加了隔离室，有效的防止了用于中和副产的氢氧化钠溶液中Na+进入产品槽影响产品的纯度。
本发明提供一种制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统和方法。系统由膜堆、产品槽、原料槽、隔离槽、副产槽、磁力泵和高频电源组成。所述膜堆依次包括产品室、原料室、隔离室和副产室，其中负电极板和均相阳膜形成产品室、均相阳膜和第一均相阴膜形成原料室、第一均相阴膜和第二均相阴膜形成隔离室、第二均相阴膜和正电极板形成副产室；四烷基卤化铵水溶液电离后，阳离子R4N+通过均相阳膜生成四烷基氢氧化铵，阴离子X-通过第一层阴膜，再通过第二层阴膜最终进入副产槽被氢氧化钠溶液中和。
所述膜堆两外侧分别设有固定夹板；所述固定夹板内侧分别设有聚乙烯绝缘板；所述均相阳膜、第一均相阴膜、第二均相阴膜两侧分别紧密连接设有弹性隔板；所述负电极板朝向均相阳膜一侧紧密连接设有弹性隔板；所述正电极板朝向第二均相阴膜一侧紧密连接设有弹性隔板。
进一步地，在上述技术方案中，所述产品室、原料室、隔离室和副产室内分别设有PVC隔板；所述PVC隔板上含有PE填充网；所述PVC隔板中设有进料管道和出料管道，产品室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接产品槽；，原料室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接原料槽；隔离室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接隔离槽；副产室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接副产槽。3.如权利要求1所述的三膜四室电解法制备四烷基氢氧化铵的系统，其特征在于，所述系统中膜堆依次由固定夹板、聚乙烯绝缘板、负电极板、弹性隔板、PVC隔板(含PE填充网)、弹性隔板、均相阳膜、弹性隔板、PVC隔板(含PE填充网)、弹性隔板、第一均相阴膜、弹性隔板、PVC隔板(含PE填充网)、弹性隔板、第二均相阴膜、弹性隔板、PVC隔板(含PE填充网)、弹性隔板、正电极板、聚乙烯绝缘板、固定夹板组成。
进一步地，在上述技术方案中，所述系统中负电极板、弹性隔板、PVC隔板(含PE填充网)、弹性隔板、均相阳膜、弹性隔板、PVC隔板(含PE填充网)、弹性隔板、第一均相阴膜、弹性隔板、PVC隔板(含PE填充网)、弹性隔板、第二均相阴膜、弹性隔板、正电极板为一个小组。
进一步地，在上述技术方案中，所述系统中两个共用一个正电极的小组可形成一个单元。
进一步地，在上述技术方案中，所述系统中两个共用一个负电极的小组可形成一个单元。
进一步地，在上述技术方案中，所述系统中设有1-20个单元，每两个单元之间采用绝缘板连接。
进一步地，在上述技术方案中，所述系统中正电极板为钛涂钌电极网板。
进一步地，在上述技术方案中，隔离室的作用是防止副产室中Na+进入产品室影响产品的纯度。
本发明提供上述的三膜四室电解法制备四烷基氢氧化铵的方法，将稀释后的含量为10％-30％(wt)四烷基卤化铵水溶液作为电解质，加入电解原料室内。将一半原料体积的去离子水加入至产品槽，将与原料体积等量的去离子水加入至隔离槽，将与原料等量的3％含量的氢氧化钠水溶液加入至副产槽。原料槽中物料通向原料室，副产槽中物料通向副产室，产品槽中物料通向产品室，隔离槽中物料通向隔离室。接通直流电后，正离子R4N+向负电极方向移动，经过阳膜，进入产品室生成产品，；X-向正电极方向移动，经过第一阴膜，进入隔离室，再通过第二阴膜进入副产室与氢氧化钠溶液中和。
进一步地，在上述技术方案中，所用原料四烷基卤化铵可以是四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四丙基氯化铵、四丁基氯化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵、四丙基溴化铵、四丁基溴化铵。
进一步地，在上述技术方案中，反应所需直流电在50A—200A之间，反应产品中钠离子含量小于10ppm，所得产品为8％-25％(wt)四烷基氢氧化铵。
附图说明
图1为制备四烷基氢氧化铵的电解系统结构示意图；
图2为图1中膜堆内部结构示意图；
图中，1、膜堆；2、产品槽；3、原料槽；4、隔离槽；5、副产槽；6、磁力泵；11、负电极板；12、均相阳膜；13、第一均相阴膜；14、第二均相阴膜；15、正电极板。
具体实施方式
以下实施例将对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明的内容。
电解装置见图1和图2。一种制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统，系统由膜堆1、产品槽2、原料槽3、隔离槽4、副产槽5、磁力泵6和高频电源组成。膜堆依次包括产品室、原料室、隔离室和副产室，其中负电极板11和均相阳膜12形成产品室、均相阳膜12和第一均相阴膜13形成原料室、第一均相阴膜13和第二均相阴膜14形成隔离室、第二均相阴膜14和正电极板15形成副产室。
膜堆两外侧分别设有固定夹板；固定夹板内侧分别设有聚乙烯绝缘板；
均相阳膜、第一均相阴膜、第二均相阴膜两侧分别紧密连接设有弹性隔板；负电极板朝向均相阳膜一侧紧密连接设有弹性隔板；正电极板朝向第二均相阴膜一侧紧密连接设有弹性隔板。
产品室、原料室、隔离室和副产室内分别设有PVC隔板；PVC隔板上含有PE填充网；PVC隔板中设有进料管道和出料管道，产品室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接产品槽；原料室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接原料槽；隔离室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接隔离槽；副产室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接副产槽。
系统中负电极板、弹性隔板、PVC隔板、弹性隔板、均相阳膜、弹性隔板、PVC隔板、弹性隔板、第一均相阴膜、弹性隔板、PVC隔板、弹性隔板、第二均相阴膜、弹性隔板、正电极板为一个小组。
系统中膜堆为两个共用一个正电极的小组形成的一个单元。
系统中正电极板为钛涂钌电极网板。
以下实施例中钠离子含量通过火焰光度计(FP640)仪器测定。
实施例1
将四丙基氯化铵用去离子水稀释成10％(wt)的水溶液。将稀释后的水溶液加入电解原料槽内，向隔离槽内加入等量的去离子水，将一半原料体积的去离子水加入产品槽，副产槽内加入0.5％的氢氧化钠溶液。原料槽中物料通向原料室，副产槽中物料通向副产室，产品槽中物料通向产品室，隔离槽中物料通向隔离室。开启电解设备，让物料在管道及膜堆内循环10min。开启高频电源，将电流调至70A。设备运行1h后，取样分析四甲基氢氧化铵浓度8.8％(wt)，其中Na+含量1ppm。
实施例2
将四丙基氯化铵用去离子水稀释成15％(wt)的水溶液。将稀释后的水溶液加入电解原料槽内，向隔离槽内加入等量的去离子水，将一半原料体积的去离子水加入产品槽，副产槽内加入0.5％的氢氧化钠溶液。原料槽中物料通向原料室，副产槽中物料通向副产室，产品槽中物料通向产品室，隔离槽中物料通向隔离室。开启电解设备，让物料在管道及膜堆内循环10min。开启高频电源，将电流调至70A。设备运行1h后，取样分析四甲基氢氧化铵浓度13.5％(wt)，其中Na+含量2ppm。
实施例3
将四丙基氯化铵用去离子水稀释成25％(wt)的水溶液。将稀释后的水溶液加入电解原料槽内，向隔离槽内加入等量的去离子水，将一半原料体积的去离子水加入产品槽，副产槽内加入0.5％的氢氧化钠溶液。原料槽中物料通向原料室，副产槽中物料通向副产室，产品槽中物料通向产品室，隔离槽中物料通向隔离室。开启电解设备，让物料在管道及膜堆内循环10min。开启高频电源，将电流调至70A。设备运行1h后，取样分析四甲基氢氧化铵浓度21.9％(wt)，其中Na+含量2ppm。
实施例4
将四甲基氯化铵用去离子水稀释成10％(wt)的水溶液。再将稀释后的水溶液加入电解原料槽内，向隔离槽内加入等量的去离子水，将一半原料体积的去离子水加入产品槽，副产槽内加入0.5％的氢氧化钠溶液。原料槽中物料通向原料室，副产槽中物料通向副产室，产品槽中物料通向产品室，隔离槽中物料通向隔离室。开启电解设备，让物料在管道及膜堆内循环10min。开启高频电源，将电流调至70A。设备运行1h后。取样分析四甲基氢氧化铵浓度8.7％(wt)，其中Na+含量3ppm。
实施例5
将四乙基氯化铵用去离子水稀释成10％(wt)的水溶液。再将稀释后的水溶液加入电解原料槽内，向隔离槽内加入等量的去离子水，将一半原料体积的去离子水加入产品槽，副产槽内加入0.5％的氢氧化钠溶液。原料槽中物料通向原料室，副产槽中物料通向副产室，产品槽中物料通向产品室，隔离槽中物料通向隔离室。开启电解设备，让物料在管道及膜堆内循环10min。开启高频电源，将电流调至70A。设备运行1h后，取样分析四甲基氢氧化铵浓度8.6％(wt)，其中Na+含量2ppm。
实施例6
将四丁基氯化铵用去离子水稀释成10％(wt)的水溶液。将稀释后的水溶液加入电解原料槽内，向隔离槽内加入等量的去离子水，将一半原料体积的去离子水加入产品槽，副产槽内加入0.5％的氢氧化钠溶液。原料槽中物料通向原料室，副产槽中物料通向副产室，产品槽中物料通向产品室，隔离槽中物料通向隔离室。开启电解设备，让物料在管道及膜堆内循环10min。开启高频电源，将电流调至70A。设备运行1h后，取样分析四甲基氢氧化铵浓度8.5％(wt)，其中Na+含量7ppm。

Claims (10)

1.一种制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统，其特征在于系统由膜堆、产品槽、原料槽、隔离槽、副产槽、磁力泵和高频电源组成；所述膜堆依次包括产品室、原料室、隔离室和副产室，其中负电极板和均相阳膜形成产品室、均相阳膜和第一均相阴膜形成原料室、第一均相阴膜和第二均相阴膜形成隔离室、第二均相阴膜和正电极板形成副产室。
2.如权利要求1所述的制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统，其特征在于，所述膜堆两外侧分别设有固定夹板；所述固定夹板内侧分别设有聚乙烯绝缘板；所述的三膜四室电解法制备四烷基氢氧化铵的系统，其特征在于，所述均相阳膜、第一均相阴膜、第二均相阴膜两侧分别紧密连接设有弹性隔板；所述负电极板朝向均相阳膜一侧紧密连接设有弹性隔板；所述正电极板朝向第二均相阴膜一侧紧密连接设有弹性隔板。
3.根据权利要求2所述制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统，其特征在于：所述产品室、原料室、隔离室和副产室内分别设有PVC隔板；所述PVC隔板上含有PE填充网；所述PVC隔板中设有进料管道和出料管道，产品室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接产品槽；原料室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接原料槽；隔离室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接隔离槽；副产室中的PVC隔板通过进料管道和出料管连接副产槽。
4.如权利要求3所述的制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统，其特征在于，所述系统中负电极板、弹性隔板、PVC隔板、弹性隔板、均相阳膜、弹性隔板、PVC隔板、弹性隔板、第一均相阴膜、弹性隔板、PVC隔板、弹性隔板、第二均相阴膜、弹性隔板、正电极板为一个小组；所述系统中两个共用一个正电极的小组可形成一个单元。
5.如权利要求1所述的制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统，其特征在于，负电极板、弹性隔板、PVC隔板、弹性隔板、均相阳膜、弹性隔板、PVC隔板、弹性隔板、第一均相阴膜、弹性隔板、PVC隔板、弹性隔板、第二均相阴膜、弹性隔板、正电极板为一个小组；所述系统中两个共用一个负电极的小组可形成一个单元。
6.如权利要求1所述的制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统，其特征在于，所述系统中设有1-20个单元，每两个单元之间采用绝缘板连接。
7.如权利要求1所述的制备四烷基氢氧化铵的三膜四室电解系统，其特征在于，所述系统中正电极板为钛涂钌电极网板。
8.采用权利要求1-7任意一项所述系统制备四烷基氢氧化铵的方法，其特征在于，将稀释后的含量为10％-30％wt四烷基卤化铵水溶液作为电解质，加入电解原料室内；将一半原料体积的去离子水加入至产品槽，将与原料体积等量的去离子水加入至隔离槽，将与原料等量的3％含量的氢氧化钠水溶液加入至副产槽；原料槽中物料通向原料室，副产槽中物料通向副产室，产品槽中物料通向产品室，隔离槽中物料通向隔离室，接通直流电。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所用原料四烷基卤化铵可以是四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四丙基氯化铵、四丁基氯化铵、四甲基溴化铵、四乙基溴化铵、四丙基溴化铵、四丁基溴化铵。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，反应所需直流电在50A—200A之间，反应产品中钠离子含量小于10ppm，所得产品为8％-25％wt四烷基氢氧化铵。
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