DE19843647B4

DE19843647B4 - Verfahren zur Herstellung von Halogenwasserstoff und Sauerstoff

Info

Publication number: DE19843647B4
Application number: DE19843647A
Authority: DE
Inventors: Kouetsu Toyota Hibino
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1998-09-23
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: DE19843647A1; JPH1192983A; US6093305A; JP3168954B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Halogenwasserstoff und Sauerstoff durch Umsetzen von Wasser und Halogen, wie in der folgenden Reaktionsgleichung dargestellt ist: H2O + X2 → HX + 1/2 O2 (1)(worin X für ein Halogen steht), wobei Aktivkohle als Katalysator verwendet wird und die Aktivkohle als eine Elektrode in eine wäßrige Lösung eingeführt wird, welche das Halogen enthält, eine Gegenelektrode in die Lösung eingeführt wird und, nachdem diese Gegenelektrode mit der Aktivkohleelektrode in der wäßrigen Lösung entweder direkt oder über eine Anionenelektrolytmembran in physikalischen Kontakt gebracht wurde, die obige Reaktion in einem Reaktionssystem stattfindet, in welchem die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode außerhalb der wäßrigen Lösung verbunden sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halogenwasserstoff und Sauerstoff gemäß Patentanspruch 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Halogenwasserstoff und Sauerstoff, welches eine chemische Reaktion umfaßt, in der Wasser und Halogen unter Verwendung von Aktivkohle als Katalysator umgesetzt werden.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Da Wasserstoff und Sauerstoff als saubere Energiequellen Aufmerksamkeit erregt haben, wurde ein Verfahren zu ihrer Herstellung in einem industriellen Maßstab eingeführt, in welchem Wasser elektrochemisch zersetzt wird. Jedoch ist dieses Verfahren im Hinblick auf die Kosten problematisch, da es große Mengen elektrischer Energie benötigt. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Verfahren zur chemischen Zersetzung von Wasser vorgeschlagen.

Danach wird Wasser mit einem Halogen umgesetzt, um Halogenwasserstoff und Sauerstoff zu bilden, wonach der Halogenwasserstoff elektrisch zersetzt wird, um Wasserstoff zu bilden. Da Sauerstoff nach diesem Verfahren durch eine chemische Reaktion erhalten wird und Wasserstoff als Folge der elektrischen Zersetzung von Halogenwasserstoff anstelle der elektrischen Zersetzung von Wasser direkt bei einer viel niedrigeren Spannung erhalten wird, bietet es den Vor teil, daß die Menge an benötigter elektrischer Energie verringert werden kann.

Da jedoch bei diesem Verfahrenstyp Kohlenstoffkörnchen als Katalysator in die Reaktion von Halogen und Wasser eingeführt werden, reagieren diese Kohlenstoffkörnchen mit dem bei der Reaktion gebildeten Sauerstoff in Form einer Nebenreaktion, was zur Bildung von Kohlendioxid führt. Somit bestand bei diesem Verfahren das Problem einer niedrigen Reaktionseffizienz, weil die Kohlenstoffkörnchen aufgebraucht wurden. Um dieses Problem zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung früher die Verwendung von Aktivkohle anstelle von Kohlenstoffkörnchen als Katalysator in dem oben erwähnten Reaktionssystem vorgeschlagen (EP-A-0 729 914 und Japanische Offenlegungsschrift Nr. 8-301606). Als Folge der Verwendung dieser Aktivkohle wird eine Reaktion, insbesondere mit Sauerstoff, gehemmt, indem ein negatives Potential an die Aktivkohle angelegt wird, was es möglich macht, die Reaktionseffizienz zu erhöhen.

Da Aktivkohle mit Sauerstoff weniger reagiert als Kohlenstoffkörnchen und obwohl die Reaktionseffizienz durch die Verwendung von Aktivkohle als Katalysator in dem Reaktionssystem aus Wasser und Halogen verbessert werden konnte, reagiert Aktivkohle immer noch in einem gewissen Ausmaß mit Sauerstoff und verhindert so, daß diese Reaktion vollständig gehemmt wird. Darüber hinaus sind bei den hohen Temperaturen, bei welchen diese Reaktion zwischen Wasser und Halogen leicht abläuft, die oxidationshemmenden Wirkungen gering, selbst wenn ein negatives Potential an die Aktivkohle angelegt wird, was es unmöglich macht, deren Reaktion mit Sauerstoff angemessen zu hemmen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Halogenwasserstoff und Sauerstoff durch Umsetzen von Wasser und einem Halogen zur Verfügung gestellt, wie es in der unten gezeigten Reaktionsgleichung dargestellt ist. Bei diesem Verfahren wird Aktivkohle als Katalysator verwendet und die Aktivkohle wird als eine Elektrode in eine wäßrige Lösung eingeführt, welche das Halogen enthält. Es wird eine Gegenelektrode in die Lösung eingeführt und nachdem diese Gegenelektrode mit der Aktivkohleelektrode in der wäßrigen Lösung entweder direkt oder über eine Anionenelektrolytmembran in physikalischen Kontakt gebracht wurde findet die folgende Reaktion in einem Reaktionssystem statt, in welchem die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode außerhalb der wäßrigen Lösung verbunden sind: H2O + X2 → HX + 1/2 O2 (1)(wobei X für ein Halogen steht).

Zur Lösung der obigen Probleme kann unter einem weiteren Aspekt der Erfindung zusätzlich eine Spannung an die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode angelegt werden.

Zur Lösung der obigen Probleme kann zusätzlich eine Öffnung in der Anionenelektrolytmembran zur Verfügung gestellt werden, welche die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode verbindet.

Zur Lösung der obigen Probleme können die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode zusätzlich über alternierende Mehrfachschichten in Kontakt stehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Skizze der Struktur einer Aktivkohleelektrode, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

2 ist eine Skizze des Reaktionssystems der vorliegenden Erfindung, bei welchem eine Aktivkohleelektrode und eine Gegenelektrode in Kontakt stehen.

3 ist eine Skizze des Reaktionssystems der vorliegenden Erfindung, bei welchem eine Aktivkohleelektrode und eine Gegenelektrode in Kontakt stehen und eine Spannung angelegt wird.

4 ist eine Skizze des Reaktionssystems der vorliegenden Erfindung, bei welchem eine Aktivkohleelektrode und eine Gegenelektrode über eine Anionenelektrolytmembran in Kontakt stehen.

5 ist eine Skizze des Reaktionssystems der vorliegenden Erfindung, bei welchem Aktivkohleelektroden und Gegenelektroden in alternierenden Mehrfachschichten in Kontakt stehen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Halogenwasserstoff und Sauerstoff durch chemisches Umsetzen von Wasser und Halogen, insbesondere von Chlor, Brom und Jod, wie in der folgenden Reaktionsgleichung (1) dargestellt wird: H2O + X2 → HX + 1/2 O2 (1)(wobei X für ein Halogen steht). Bei dieser Reaktion läuft die Reaktion, selbst nach Mischen von Wasser und Halogen, nicht ab, da es notwendig ist, einen Katalysator zu verwenden. Herkömmlicherweise wurden Kohlenstoffkörnchen und Aktivkohle als Katalysatoren verwendet. Im Fall der Verwendung von Kohlenstoffkörnchen wird jedoch der Kohlenstoff oxidiert, was zur Bildung von Kohlendioxid führt. Als Ergebnis wird der Katalysator verbraucht, was dazu führt, daß die Reaktion aufhört.

Wie in den folgenden Reaktionsgleichungen dargestellt ist, H2O + X2 → HX + HXO (2) HXO → HX + 1/2 O2 (3)reagieren in der obigen Reaktion (1) zuerst Wasser und Halogen, was zur Bildung von Halogenwasserstoff HX und hypohalogeniger Säure HXO führt, wonach die Reaktion ein Gleichgewicht erreicht (Gleichung (2)). Darüber hinaus zersetzt sich hypohalogenige Säure durch eine Selbstzersetzungsreaktion zu Halogenwasserstoff und Sauerstoff (Gleichung (3)). Somit wird angenommen, daß die obige Reaktion in zwei Stufen verläuft. In der oben erwähnten Gleichung (2) ist die hypohalogenige Säure HXO, welche gebildet wird, ein starkes Oxidationsmittel. Somit führt das dazu, daß eine Oxidation stattfindet, wie in der folgende Reaktionsgleichung angegeben ist: HXO + C → HX + 1/2 CO2 (4),wenn Kohlenstoffkörnchen zu dem Reaktionssystem zugegeben werden. Obwohl diese hypohalogenige Säure HXO, wie in obiger Gleichung (3) angegeben, ebenfalls zur Freisetzung von Sauerstoff führt, wird darüber hinaus angenommen, daß Kohlenstoffkörnchen durch diesen Sauerstoff oxidiert werden.

Um diese Oxidation der Kohlenstoffkörnchen zu hemmen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung daher früher die Verwendung von Aktivkohle anstelle von Kohlenstoffkörnchen als Katalysator bei der oben erwähnten Reaktion vorgeschlagen. Die Oxidation aufgrund des gebildeten Sauerstoffs wird beträchtlich gehemmt, insbesondere wenn ein negatives Potential an die Aktivkohle angelegt wird.

Der Grund für das Anlegen eines negativen Potentials an die Aktivkohle ist der, daß ein sogenannter kathodischer Schutz genutzt werden soll. Dieser Kathodenschutz bezieht sich auf ein Verfahren zur Verhinderung der Korrosion der Elektrode, bei welchem die Korrosion verhindert wird, indem ein Kathodenstrom an das Metall angelegt wird, um das Potential in die negative Richtung zu verschieben und ein Potential aufrechtzuerhalten, das negativer ist als das Gleichgewichtspotential, bei dem das Metall der Anode in Lösung geht. Durch das Anlegen eines negativen Potentials an die Aktivkohle wird nämlich ein Potential angelegt, das negativer ist als das Gleichgewichtspotential der Oxidationsreaktion der Aktivkohle, wodurch die Oxidation verhindert wird.

Die oxidationsverhindernde Wirkung, die durch Anlegen dieses negativen Potentials erreicht wird, wird jedoch nur bis zu einer Temperatur von ca. 60°C erhalten, wogegen bei höheren Temperaturen keine angemessene Wirkung erhalten wird. Demgegenüber ist bei Temperaturen von ca. 60°C die Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion gemäß obiger Gleichung (1) unzureichend. Daher wird bei hohen Temperaturen auch für Aktivkohle ein Mittel zum Erreichen einer oxidationshemmenden Wirkung benötigt.

Daher wird bei der vorliegenden Erfindung die Aktivkohle in Form einer Elektrode (Kathode) in eine wäßrige Lösung eingeführt, welche das Halogen enthält. Darüber hinaus wird ebenfalls eine Gegenelektrode (Anode) eingeführt, so daß sich die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode in Kontakt befinden. Ein natürliches Potential tritt zwischen diesen Elektroden auf und Strom fließt, wenn die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode außerhalb der oben erwähnten wäßrigen Lösung verbunden werden, was zu der Produktion von Gas (Sauerstoff) von der Gegenelektrode aus führt.

Da die Reaktionen der Gleichungen (2) und (3) oben auf der Oberfläche der Aktivkohle ablaufen, liegen das resultierende HXO und der Sauerstoff im ionischen Zustand auf der Aktivkohle vor und man nimmt an, daß dies die Aktivkohle für eine Oxidation anfällig macht. Da sich die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode in dem Reaktionssystem der vorliegenden Erfindung jedoch in Kontakt befinden, bewegen sich die XO- und die Sauerstoffionen, welche auf der Oberfläche der Aktivkohle gebildet wurden (und welche eine negative Ladung tragen), leicht zur Anode in Form der Gegenelektrode. Sauerstoffionen usw. werden dann auf dieser Gegenelektrode reduziert, was zur Bildung von Sauerstoff führt. Somit wird die Aktivkohle, da Ionen, welche Aktivkohle oxidieren, auf der Aktivkohle zurückbleiben, oxidiert, wenn die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode nicht in Kontakt gebracht werden. Auf diese Weise wird bei dem Reaktionssystem der vorliegenden Erfindung eine Oxidation der Aktivkohle gehemmt, da Sauerstoffionen, die eine Oxidation der Aktivkohle bewirken, sofort nach ihrer Bildung von der Aktivkohle weg zur Gegenelektrode wandern.

Zusätzlich ist Halogenwasserstoff, welcher durch die Reaktion gebildet wurde, in der Lösung vorhanden, und dieser Halogenwasserstoff kann später durch elektrische Zer setzung oder thermische Zersetzung zu Wasserstoff und Halogen zersetzt werden.

Elektroden aus Aktivkohle mit einer Struktur ähnlich der, welche in 1 gezeigt ist, können verwendet werden. Ein Metallnetz 13, welches aus Kupfer, Silber, Nickel usw. gefertigt ist, wird danach sandwichartig zwischen Kohlenstoffkunststoffplatten 12 mit einer Dicke von 0,5–2 mm angeordnet, wonach ein Gewebe aus Aktivkohle 11 durch Heißpressen auf der Oberfläche angeordnet wird, um eine Aktivkohleelektrode zu bilden. Die Kohlenstoffkunststoffplatten 12 werden gebildet, indem Rußschwarz und Polyethylenharz verknetet werden, worauf ein Strangpressen folgt. Der Elektrodendraht 14, welcher aus einem Metall gefertigt ist, das durch Halogene nicht korrodiert wird, wie z.B. Platin oder Titan, wird mit dem Metallnetz 13 verbunden. Als Folge des Einsatzes dieses Konstitutionstyps kann über die gesamte Aktivkohleelektrode dasselbe Potential angelegt werden.

Obwohl verschiedene Metalltypen für die Gegenelektrode verwendet werden können, ist, um zu ermöglichen, daß die Elektrodenreaktion von O– → 1/2 O2 + e– auf ihrer Oberfläche stattfindet, ein Metall mit einer niedrigen Sauerstoffüberspannung bevorzugt, da es zu einer höheren Effizienz führt. Ferner muß das Metall gegenüber einer Korrosion durch Halogene beständig sein, da es in eine wäßrige Halogenlösung eingetaucht wird. Somit umfassen bevorzugte Beispiele für Gegenelektroden jene, welche aus Edelmetallen wie z.B. Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium und Iridium wie auch aus deren Oxiden gefertigt sind.

Der Kontakt zwischen der Aktivkohleelektrode und der Gegenelektrode sollte in Form eines physikalischen Kontak tes bestehen, um den Ionen zu ermöglichen, wie oben beschrieben zu der Gegenelektrode zu wandern. Beispielsweise kann der Kontakt nur über die Aktivkohlefasern hergestellt werden. Zusätzlich ist es, obwohl die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode über ihre gesamten Oberflächen in Kontakt stehen können, bevorzugt, daß die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode in einem gewissen Ausmaß getrennt sind und daß nur partielle Kontakte zugelassen werden, damit sich Ionen, welche die Aktivkohle oxidieren, von der Aktivkohle trennen können, damit produzierter Sauerstoff freigesetzt werden kann und damit die Halogenlösung und die Aktivkohle in Kontakt kommen können.

Wie oben beschrieben, wird als Folge des Verbindens der Aktivkohleelektrode und der Gegenelektrode zwischen den Elektroden ein natürliches Potential erzeugt. Obwohl Sauerstoff an der Gegenelektrode erzeugt wird, wird die Reaktionsgeschwindigkeit, indem zusätzlich ein Potential zwischen beiden Elektroden angelegt wird, durch den Elektronenfluß verbessert, wodurch die Menge an produziertem Sauerstoff erhöht wird und eine Oxidation der Aktivkohle gehemmt wird. Dies liegt daran, daß das Anlegen eines elektrischen Potentials die Geschwindigkeit erhöht, mit welcher Sauerstoffionen an der Anode in Form der Gegenelektrode reduziert werden.

Obwohl sich die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode in direktem Kontakt befinden, kann bei dem oben erwähnten Aufbau, wenn diese in dieser Weise in direkten Kontakt gebracht werden, ein Kurzschluß auftreten, was zu einer schlechten Effizienz führt, insbesondere in dem Fall, wo ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden angelegt wird. Obwohl es bevorzugt ist, daß die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode nur teilweise in Kontakt treten und kein Kontakt über ihre gesamte Oberfläche hergestellt wird, führt das in diesem Fall ebenfalls zu einer schlechten Effizienz, da eine Ionenbewegung nur an der Stelle des Teilkontaktes stattfindet. Daher wird eine Anionenelektrolytmembran, welche die Bewegung von Sauerstoffionen zwischen der Aktivkohleelektrode und der Gegenelektrode erlaubt, zwischen den Elektroden angeordnet, und der Kontakt zwischen der Aktivkohleelektrode und der Gegenelektrode wird über diese Anionenelektrolytmembran hergestellt. Beispiele für diese Anionenelektrolytmembran umfassen eine Festpolymermembran wie Seremion, welche von Asahi Glass gefertigt wird, und einen keramischen Elektrolyten, welcher Yttriumoxid enthält, der von Nikkado gefertigt wird. Als Folge des Einsatzes dieses Konstitutionstyps wandern Sauerstoffionen, welche an der Oberfläche der Aktivkohleelektrode erzeugt werden, innerhalb des Anionenelektrolyten und erreichen die Gegenelektrode. Da die Bewegung über die gesamte Oberfläche der Anionenelektrolytmembran stattfindet, ist dies effizient und die hemmende Wirkung auf die Oxidation der Aktivkohle kann verstärkt werden.

Auch in diesem Fall findet der Kontakt zwischen der Aktivkohleelektrode und dem Elektrolytfilm nicht über die gesamte Oberfläche statt, damit ein Kontakt zwischen der Halogenlösung und der Aktivkohle stattfinden kann, sondern es ist beispielsweise eher bevorzugt, Vorsprünge auf der Oberfläche der Elektrolytmembran zur Verfügung zu stellen, um Teilkontakte an diesen Vorsprüngen zu ermöglichen. Um ferner die Freisetzung von Sauerstoffgas zu ermöglichen, welches an der Gegenelektrode erzeugt wird, erfolgt auch der Kontakt zwischen der Gegenelektrode und der Elektrolytmembran vorzugsweise in Form eines Teilkontaktes und nicht in Form eines Kontaktes über deren gesamte Oberfläche. Selbst wenn der Kontakt zwischen der Aktivkohleelektrode, der Elektrolytmembran und der Gegenelektrode in Form von z.B. einem Teilkontakt besteht, gibt es, da kein direkter Kontakt zwischen der Aktivkohleelektrode und der Gegenelektrode zugelassen wird, kein Auftreten von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden, wodurch die elektrische Effizienz verbessert werden kann.

Ionen bewegen sich leichter auf der Oberfläche als innerhalb des oben erwähnten Anionenelektrolyten. Daher werden durch ein Zurverfügungstellen einer Öffnung in der Anionenelektrolytmembran, welche die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode verbindet, und insbesondere durch Öffnen zahlreicher Löcher in der Elektrolytmembran zahlreiche Oberflächen zur Verfügung gestellt, auf welchen sich die Ionen leicht bewegen können. Als Folge wird die Geschwindigkeit der Ionenbewegung erhöht, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden kann.

Indem man die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode durch schichtweise alternierende Anordnung der Elektroden in Kontakt kommen läßt, kann die Reaktion effizient in einem kleinen Raum durchgeführt werden.

Beispiel 1
Wie in 2 gezeigt ist, wurde Bromwasser 22 mit einer Bromkonzentration von 120 mmol/l in einen druckfesten Glasbehälter 21 gegeben, gefolgt von der Einführung einer Aktivkohleelektrode 23, welche in 1 gezeigt ist (Menge an Aktivkohle: ungefähr 0,5 g), und einer Platinelektrode in Form einer Gegenelektrode 24 in diesen Behälter. Die Aktivkohleelektrode 23 und die Gegenelektrode 24 wurden mit 1–2 Aktivkohlefasern 25 in Kontakt gebracht, und die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode wurden außerhalb des Bromwassers verbunden, um ein Reaktionssystem zu bilden, nachdem die Luft in dem Behälter 21 durch Stickstoff ersetzt worden war. Die Reaktion wurde 60 Minuten bei einer Temperatur von 100°C durchgeführt. Die natürliche Potentialdifferenz zwischen der Aktivkohleelektrode 23 und der Gegenelektrode 24 bei 100°C betrug ungefähr 120 mV, und das natürliche Potential der Aktivkohleelektrode war nied riger. Gas 26, welches im Verlauf dieser Reaktion erzeugt wurde, wurde eingefangen, worauf eine Analyse der erzeugten Mengen an Kohlendioxid und Sauerstoff folgte. Zusätzlich wurde eine ähnliche Reaktion durchgeführt, bei der Rutheniumoxid und Iridiumoxid für die Gegenelektroden verwendet wurden. Darüber hinaus wurden ähnliche Reaktionen zu Vergleichszwecken für den Fall durchgeführt, daß nur eine Aktivkohleelektrode ohne eine Gegenelektrode verwendet wurde, und für den Fall, daß eine Aktivkohleelektrode und eine Gegenelektrode (Titanelektrode) verwendet wurden, die beiden Elektroden aber nicht in Kontakt gebracht wurden. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Gemäß den Ergebnissen in Tabelle 1 führte der Fall, bei dem das Reaktionssystem der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, zu einer kleineren Menge an erzeugtem CO₂ und einer größeren Menge an erzeugtem O₂ als der Fall, bei dem nur Aktivkohle verwendet wurde, und der Fall, bei dem die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode nicht in Kontakt gebracht wurden, was klar die hohe hemmende Wirkung auf die Aktivkohleoxidation zeigt. Zusätzlich betrug die HBr-Konzentration nach der Reaktion bei Verwendung einer Platinelektrode als Gegenelektrode ungefähr 80 mmol/l.
Beispiel 2
Es wurde eine Reaktion auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß eine Spannung zwischen der Aktivkohleelektrode und der Gegenelektrode angelegt wurde. Wie in 3 gezeigt ist, wurde Bromwasser 32 mit einer Bromkonzentration von 120 mmol/l in einen druckfesten Glasbehälter 31 gegeben, gefolgt von der Einführung einer Aktivkohleelektrode 33, welche in 1 gezeigt ist (Menge an Aktivkohle: ungefähr 0,5 g), und einer Platinelektrode in Form einer Gegenelektrode 34 in diesen Behälter. Die Aktivkohleelektrode 33 und die Gegenelektrode 34 wurden mit 1–2 Aktivkohlefasern 35 in Kontakt gebracht, und die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode wurden außerhalb des Bromwassers verbunden. Darüber hinaus wurde auch eine Stromquelle 37 außerhalb des Bromwassers angeordnet, um ein Reaktionssystem aufzubauen, nachdem die Luft in dem Behälter 31 durch Stickstoff ersetzt worden war. Die natürliche Potentialdifferenz zwischen der Aktivkohleelektrode 33 und der Gegenelektrode 34 bei 100°C vor Anlegen einer Spannung betrug ungefähr 120 mV, und das natürliche Potential der Aktivkohleelektrode war niedriger. Darüber hinaus wurde eine Spannung angelegt, um die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden auf 500 mV zu bringen (somit wurde tatsächlich von der Stromquelle eine Spannung von 380 mV angelegt), wonach die Reaktion für 40 Minuten bei einer Temperatur von 100°C durchgeführt wurde. Gas 36, welches im Verlauf dieser Reaktion erzeugt wurde, wurde eingefangen, worauf eine Analyse der erzeugten Mengen an Kohlendioxid und Sauerstoff folgte. Zusätzlich wurde eine ähnliche Reaktion durchgeführt, bei der Rutheniumoxid und Iridiumoxid für die Gegenelektroden verwendet wurden. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Vergleicht man die Ergebnisse in Tabelle 2 mit den Ergebnissen in Tabelle 1, so führte das Anlegen einer Spannung wegen der Abnahme der Menge an erzeugtem CO₂ und der Zunahme der Menge an erzeugtem O₂ klar zu einer Verbesserung der die Aktivkohleoxidation hemmenden Wirkung und der Reaktionseffizienz. Zusätzlich betrug die HBr-Konzentration nach der Reaktion bei Verwendung einer Platinelektrode als Gegenelektrode ungefähr 100 mmol/l. Dieses Ergebnis zeigt ebenfalls klar, daß die Reaktionsgeschwindigkeit verbessert wurde.
Beispiel 3
Es wurde eine Reaktion nahezu in derselben Weise wie in Beispiel 2 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß Iod anstelle von Brom verwendet wurde. Die Reaktion wurde 60 Minuten bei 180°C in einem ähnlichen Reaktionssystem durchgeführt, nachdem 90 ml Wasser und 5 g Iod anstelle von Bromwasser in den druckfesten Behälter gegeben wurden. Zusätzlich betrug die Potentialdifferenz zwischen der Aktivkohleelektrode und der Gegenelektrode 500 mV, und das Potential auf Seite der Aktivkohleelektrode war niedriger. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3
Gemäß den Ergebnissen in Tabelle 3 wurde auch bei Verwendung von Iod eine hemmende Wirkung auf die Aktivkohleoxidation beobachtet. Die Konzentration von HI, welcher nach dieser Reaktion gebildet wurde, betrug ungefähr 90 mmol/l.
Beispiel 4
Es wurde eine Reaktion auf dieselbe Weise wie in Beispiel 2 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß eine Anionenelektrolytmembran zwischen der Aktivkohleelektrode und der Gegenelektrode angeordnet wurde. Wie in 4 gezeigt, wurde Bromwasser 42 mit einer Bromkonzentration von 120 mmol/l in einen druckfesten Glasbehälter 41 gegeben. Eine Festpolymermembran 45 wurde sandwichartig zwischen der Aktivkohleelektrode 43 (Menge an Aktivkohle: ungefähr 0,5 g), welche in 1 gezeigt ist, und einer Gegenelektrode 44 in Form einer Platinelektrode angeordnet, welche dann zusammen in das Bromwasser in dem Behälter eingetaucht wurden. Kleine Vorsprünge wurden in Form von Punkten über der Oberfläche dieser Festpolymermembran zur Verfügung gestellt, um die Freisetzung von Gas zu erleichtern, welches erzeugt wird, wenn Bromwasser in die Nähe der Elektroden geliefert wird. Darüber hinaus wurden die metallischen Teile der Elektroden und des druckfesten Behälters mit Teflon isoliert. Die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode wurden außerhalb des Bromwassers verbunden, und eine Stromquelle 47 wurde außerhalb des Bromwassers angeordnet, um ein Reaktionssystem aufzubauen, nachdem die Luft in dem Behälter 41 durch Stickstoff ersetzt worden war. Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden wurde auf 500 mV gesetzt, indem eine Spannung angelegt wurde, und die Reaktion wurde 40 Minuten bei einer Temperatur von 100°C durchgeführt. Gas, das im Verlauf dieser Reaktion gebildet wurde, wurde eingefangen, worauf eine Analyse der erzeugten Mengen an Kohlendioxid und Sauerstoff folgte. Zusätzlich wurde eine ähnliche Reaktion durchgeführt, bei der Rutheniumoxid und Iridiumoxid für die Gegenelektroden verwendet wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
Im Vergleich mit den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen führte die Anordnung einer Anionenelektrolytmembran zwischen den Elektroden zu einer größeren Hemmung der Oxidation der Aktivkohleelektrode, wobei auch die Menge an erzeugtem Sauerstoff erhöht wurde. Zusätzlich betrug die Konzentration von HBr nach der Reaktion ungefähr 120 mmol/l was ebenfalls eine Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit anzeigt.
Beispiel 5
Es wurde eine Reaktion in ähnlicher Weise wie in Beispiel 4 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß eine Mehrzahl von runden Löchern in der Festpolymermembran 45 bei der Elektrodenkonfiguration, welche in 4 gezeigt ist, zur Verfügung gestellt wurde. Die Mengen an CO₂ und O₂, welche gebildet wurden, sind in Tabelle 5 gezeigt.
Tabelle 5
Im Vergleich mit den Ergebnissen, welche in Tabelle 4 gezeigt sind, hemmte die Bereitstellung von Öffnungen in einer Anionenelektrolytmembran die Oxidation der Aktivkohleelektrode weiter, wobei auch die Menge an erzeugtem Sauerstoff erhöht wurde. Zusätzlich betrug die Konzentration an HBr nach der Reaktion ungefähr 130 mmol/l, was ebenfalls anzeigt, daß die Reaktionsgeschwindigkeit verbessert wurde.
Beispiel 6
Es wurde eine Reaktion ähnlich wie in Beispiel 5 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß eine Mehrzahl von Kombinationen der Elektroden, welche in Beispiel 5 verwendet wurden, wiederholt verwendet wurde. Wie in 5 gezeigt ist, wurde Bromwasser 52 mit einer Bromkonzentration von 120 mmol/l in einen druckfesten Glasbehälter 51 gegeben. Eine Festpolymermembran 55, welche mit Öffnungen zwischen den Elektroden versehen war, wurde sandwichartig zwischen der Aktivkohleelektrode 53, welche auf beiden Seiten mit aufgepreßtem (press fitted) Gewebe aus Aktivkohle versehen war, und einer Gegenelektrode 54 in Form einer Platinelektrode angeordnet, und eine Mehrzahl dieser Kombinationen von Elektroden wurde schichtweise angeordnet und in das Bromwasser in dem Behälter eingeführt. Außerhalb des Bromwassers wurden die Aktivkohleelektroden in Serie ver bunden und die Gegenelektroden wurden in Serie verbunden, und die Reaktion wurde durchgeführt, während eine Spannung angelegt wurde. Als Folge des Einsatzes dieses Aufbaus konnte die Reaktion effizient in einem kleinen Raum durchgeführt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, indem Aktivkohle, welche als Katalysator dient, als Elektrode verwendet wird und diese Aktivkohleelektrode mit einer Gegenelektrode in Kontakt gebracht wird, in einem Verfahren zur Umsetzung von Wasser und Halogen die Oxidation der Aktivkohle, nämlich die Erzeugung von Kohlendioxid, selbst bei hohen Temperaturen gehemmt werden, wodurch die Reaktionseffizienz verbessert werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Halogenwasserstoff und Sauerstoff durch Umsetzen von Wasser und Halogen, wie in der folgenden Reaktionsgleichung dargestellt ist: H2O + X2 → HX + 1/2 O2 (1)(worin X für ein Halogen steht), wobei Aktivkohle als Katalysator verwendet wird und die Aktivkohle als eine Elektrode in eine wäßrige Lösung eingeführt wird, welche das Halogen enthält, eine Gegenelektrode in die Lösung eingeführt wird und, nachdem diese Gegenelektrode mit der Aktivkohleelektrode in der wäßrigen Lösung entweder direkt oder über eine Anionenelektrolytmembran in physikalischen Kontakt gebracht wurde, die obige Reaktion in einem Reaktionssystem stattfindet, in welchem die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode außerhalb der wäßrigen Lösung verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Spannung zwischen der Aktivkohleelektrode und der Gegenelektrode angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Öffnung in der Anionenelektrolytmembran zur Verfügung gestellt wird, welche die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aktivkohleelektrode und die Gegenelektrode in alternierenden Mehrfachschichten in Kontakt stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gegenelektrode aus Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Iridium oder deren Oxiden gefertigt ist.