DE2725211C2 - Verfahren zur Herstellung von Perfluoralkansulfonsäurefluoriden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Perfluoralkansulfonsäurefluoriden, insbesondere längerkettigen Homologen, durch elektrochemische Fiuorierung von Alkansulfonsäurehalogeniden und/oder cyclischen, ungesättigten Sulfonen in flüssigem Fluorwasserstoff.

Bekanntlich sind längerkettige Perfluoralkansulfonsäurefluoride, vor allem solche mit 6 bis 12 Kohlenstoff-Atomen im Molekül, als Zwischenprodukte zur Herstellung von Phobiermitteln und Tensiden in zunehmendem Maße von großer technischer Bedeutung (vgl. z.B. H. G. Klein, J. N. Meußdoerffer und H. Niederprüm, Metalloberfläche 11 (1975) 1 -9).

Solche fluorenthaltenden Phobiermittel und Tenside lassen sich sowohl auf Basis elektrochemischer Verfahren als auch durch Telomerisation von Tetrafluoräthylen herstellen.

Wenngleich es sich bei der elektrochemischen Fluorierung im Falle längerkettiger Moleküle im Vergleich zu anderen, technisch nicht praktizierten Verfahren, zum Beispiel jenem der Flunrierung mit Kobalt(III)fIuorid, um ein durchaus konkurrenzfähiges Verfahren handelt, fällt der Wirtschaftlichkeitsvergleich mit dem Verfahren der Telomerisation von Tetrafluoräthylen nicht mehr so günstig aus. Das liegt daran, daß eine Reihe von Problemen der technischen Elektrofluorierung bisher nur in sehr unwirtschaftlicher Weise gelöst worden sind.

Dadurch erklären sich die hohen Marktpreise derartiger Phobiermittel und Tenside auf Basis längerkettiger Perfluoralkansulfonsäurederivate sowie die Tatsache, daß perfluorierte Chemikalien trotz ihrer hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften keine breitere technische Anwendung finden.

Vor allem sind es die relativ niedrigen Stoffausbeuten, bezogen auf die eingesetzten Rohstoffe, die relativ schlechten Raum-Zeit-, Strom- und Energie-Ausbeuten, sowie Probleme der Abfallbeseitigung, der Standzeit der Elektroden u. a., die in erheblichem Maße den wirtschaftlichen Erfolg des Verfahrens bestimmen.

Fs ist bekannt, daß die beschriebenen Elektrofluorierungsversuche ausschließlich unter F.insat/ von frischem Fluorwasserstuff, der gegebenenfalls vorfluoriert oder elektrochemisch entwässert wurde, erfolgten. Über den Verbleib des gebrauchten Elektrolyten, seine Beseitigung sowie seine sonstigen z. B. auch toxikologischen Eigenschaften oder den Restgehalt an organischen, teilweise fluorierten Verbindungen, werden keine Angaben gemacht.

Auch Veröffentlichungen aus jüngerer Zeit, in denen erhöhte Stoffausbeuten an perforiertem Produkt als Folge erhöhter Elektrolyse-Spannungen bzw. erniedrig ter Konzentrationen des zu fluorierenden Stoffes beschrieben werden, beziehen sich durchwegs auf eine Arbeitsweise unter Einsatz von jeweils frischem Fluorwasserstoff für die einzelnen Elektrolyseversuche (vgl. z. B. DE-OS 24 42 106 oder DE-OS 22 34 837).

Es ist eine bekannte Erscheinung bei Elektrofluorierungsversuchen, daß man beim Anfahren einer Elektro-

Ki lysezelle eine mehr oder weniger lange sogenannte Induktionsphase durchläuft, die dadurch gekennzeichnet ist, daß kein gewünschtes Perfluorprodukt oder nur sehr geringe Mengen davon zu isolieren sind. Erst im Anschluß an diese Induktionszeit, in der es vorwiegend zu einer destruktiven Fluorierung unter Zeistörung von C-C-Bindungen kommt, setzt allmählich die Produktionsphase ein unter Bildung des gewünschten Perfluorproduktes. Lange Induktionszeiten setzen dk Stoffausbeuten und damit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herab.

Herkömmliche Elektrolyseversuche müssen nach einiger Zeit abgebrochen werden, weil die Siromdichie meist so klein gev/orden ist, daß infolge des stark angestiegenen inneren Widerstandes der Zellen nicht

2Ί mehr wirtschaftlich produziert werden kann.

Soweit bekannt ist, werden Elektrolyseversuche meist nach einer Stromaufnahme von 0,5 bis 2 Amperestunden pro Quadratzentimeter Anodenfläche abgebrochen. Diese Angaben beziehen sich also bezüglich des

in Elektrolyten auf eine diskontinuierliche Arbeitsweise. Ferner werden Fragen der Raum-Zeit-Ausbeuten oder sicherheitstechnische Probleme, vor allem hinsichtlich der Explosionsgefährdung von Anlagen, die während der Induktionsphase besonders groß ist, nicht näher

v> erörtert.

Es wurde nun ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Perfluoralkansulfonsäurefluoriden durch Elektrolyse einer Lösung eines Alkansulfonsäurehalogenides und/oder eines cyclischen, ungesättigten Sulfons in praktisch wasserfreiem Fluorwasserstoff, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die elektrolyse mit Anoden, deren Oberfläche durch Sandstrahlen behandelt wurde und mit einem Elektrolyt durchführt, in dem mit wenigstens I Ah Strommenge pro ml Elektrolyt

■r. bereits elektrolysiert und bereits 0,05 g perfluoriertes Produkt pro ml Elektrolyt erzeugt worden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren trägt den obengenannten Fragen und Schwierigkeiten der herkömmlichen Elektrofluorierung Rechnung und erlaubt ein

w kontinuierliches Betreiben einer technischen Elektrofluorierungsanlage bei erhöhten Stoff-, Strom- sowie Energie-Ausbeuten ohne jeglichen Anfall organisch belasteten Fluorwasserstoffs. Dies wird dadurch erreicht, daß im Gegensatz zu bisher beschriebenen

v> Verfahren /um Anfahren einer neuen Elektrolysezelle jeweils aller Elektrolyt, der aus vorhergehenden Versuchtet stammt, verwendet wird und nicht ausgeschleust und beseitigt werden muß.

Dadurch geht nicht nur der Verbrauch an Fluorwasserstoff zurück, auch die bisher mit dem Elektrolyten ausgeschleusten teilweise fluorierten Verbindungen gehen nicht mehr verlustig und tragen zur Erhöhung der Stoff- und Strom-Ausbeuten bei. Ferner ist es nun nicht mehr notwendig, relativ große Mengen an organisch

&■> verunreinigtem Fluorwasserstoff zu beseitigen, was nicht nur ökonomisch, sondern auch ökologisch problematisch ist, zumal der Elektrolyt eine Reihe zum Teil unbekannter, leilfluorief ter organischer Substanzen

von noch unbekannter Toxizität enthält.

Ein Anfahren der Elektrolyse mit bereits gebrauchtem Elektrolyten ergab aber auch in anderer Hinsicht einen völlig unerwarteten Effekt Es stellte sich heraus, daß sich die Induktionszeiten stark verkürzen lassen, wenn man zum Anfahren von Elektrolyseversuchen gebrauchten Elektrolyten einsetzt Entscheidend hierbei ist, daß es zu einer Oberflächenbeschaffenheit der Anode kommt, die sich durch eine besondere E-Fluorierungsaktivität auszeichnet Diese besonders aktive Oberfläche wird durch die erfindungsgemäß durchgeführten Maßnahmen erzielt

Eine Verkürzung der Induktionszeiten ist gerade für die Herstellung langkettiger perforierter Moleküle umso wünschenswerter, als hierbei — wie bereits erwähnt — durch C-C-Spaltung das Molekülskelett zerstört wird. Die entstehenden perforierten Produkte sind im allgemeinen gasförmiger Natur und entweichen mit den Elektrolysegasen.

Es können in diesem Verfahren Elektrolysezellen >o verwendet werden, wie sie für das ursprüngliche Eiritopfvcrfahrcn nach Simons gebaut wurden, oder solche mit Zwangsumwälzung des Elektrolyten. Geeignet sind ferner kleine Laboraloriumszellen mit 50 bis 100 Ampere sowie großtechnische Elektrolyseure mit >■; 40 000 und mehr Ampere.

Die Kathoden bestehen aus Eisen Nickel, Kupfer oder Monel,die Anoden aus Nickel oder Monel. Sie sind alternierend in einem Abstand von 3 bis 6 mm voneinander angebracht. Die Temperatur während der so praktisch bei Almosphärendruck betriebenen Elektrolyse liegt zwischen 0 'ind 20⁰C, doch könnte auch bei höheren Temperaturen und entsprechend höheren Drucken gefahren werden. Die benutzte Gleichstromspannung liegt zwischen 4 und !4 Volt, die Stromdichte r> schwankt zwischen 0,1 und 15 m Ampeu pro Quadratzentimeter. Die Konzentration des zu fluorierenden organischen Substrats, bezogen auf Fluorwasserstoff, bewegt sich zwischen 0,1 und 10 Massen-%.

Als Ausgangssubstanzen für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich in erster Linie Alkansulfonsäurehalogenide wie z. B. Hexan-, Heptan-, Octan-, Nonan-, Decansulfonsäurefluorid bzw. -chlorid. Ferner sind ungesättigte Sulfone wie z. B. Buladiensulfon, Methylbutadiensulfon, Äthylbutadiensulfon, Dimethylbutadien- η sulfon geeignet.

Das organische Ausgangsmaierial setzt man ebenso wie den wasserfreien Fluorwasserstoff vorteilhaft kontinuierlich während der Elektrolyse in dem Maße wie beide Rohstoffe verbraucht werden dem Elektroly- ^n ten zu. Man kann aber auch dosiert in entsprechenden Zeitabständen fahren.

Die gasförmigen Perfluorprodukte werden zusammen mit dem anodisch gebildeten Wasserstoff durch ein Gasableitungsrohr abgeführt. Mitgerissener Fluorwas· π serstoff wird in einem Kühler kondensiert und fließt in die Klekk'rolysczelle zurück. Restliche Mengen Fluorwasserstoff im Abgas werden durch alkalische Wäsche oder über Natriumfluorid beseitigt. Das in flüssigem Fluorwasserstoff unlösliche flüssige Perfluorprodukt wi setzt sich am Boden der Zelle oder eines Absetzbehälters ab und kann kontinuierlich oder in beliebigen Zeitabständen abgezogen werden.

Das crfmdungsgcrnäße Verfahren wird für den Fall einer bereits in Betrieb stehenden ElektrofluofierungS' b$ anlage so durchgeführt, daß die kontinuierlichen oder dosierten Zugaben an Fluorwasserstoff während der Elektrolyse so bemessen werden, daß jederzeit genügend alter Elektrolyt für das Anfahren zusätzlicher Elekirolysezellen vorhanden ist Vorteilhaft ist eine Elektrolyse-Anlage mit mehreren Elektrolysezellen und mindestens einem Reservoir-Behälter, durch den der Elektrolyt zirkuliert, so daß ohne Unterbrechung der Elektrolyse einzelne Zellen zwecks Elektrodenwechsel und Reinigung herausgenommen werden Können.

Elektroden müssen erst gewechselt werden, wenn die Stromaufnahme der einzelnen Elektrolysezelle!? einen wirtschaftlich tragbaren Mindestwert erreicht

Für den Fall, daß eine Elektrofluorierungsanlage erstmalig angefahren wird und kein Alt-Elektrolyt, der bereits für die elektrochemische Fluorierung in Verwendung stand, vorhanden ist, ist so zu verfahren, daß der Elektrolyt vorelektrolysiert wird und anschließend mit neut η oder gereinigten Elektroden weiterelektrolysiert wird. Als Elektrolyt kann hierbei sowohl reiner als bereits mit organischem Substrat beschickter Fluorwasserstoff dienen. Zu beachten ist, daß für diesen FaI! des Anfahrens mit frischem Fluorwasserstoff nur dann ähnlich günstige Effekte wie bei der Verwendung von Alt Elektrolyt h^;nsicht!ich der Verkürzung der Induktionszeiten zu beobachten sind, wenn nicht dieselben Elektroden, mit denen angefahren wurde, weiterverwendet werden. Sie müssen gegen neue oder gereinigte auf jeden Fall ausgewechselt werden. Nur der Elektrolyt wird weiterverwendet.

Die Reinigung von .'.noden, die längere Zeit in Betrieb waren, wird so durchgeführt, daß zunächst mit wäßriger alkalischer Lösung gespült wird und die getrockneten Platten einer mechanischen Oberflächenbehandlung mit einem Sandstrahl-Gebläse unterworfen werden.

Neue Anoden, die erstmalig zur Elektrolyse eingesetzt werden, werden ebenfalls dieser Sandstrahl·Behandlung unterworfen, was zu flächigeren Korrosionserscheinungen führt und unerwünschte Lochfraß Korrosionserscheinungen zurückdrängt.

Bei bereits in Betrieb befindlichen Elektrofluorierungsanlagen, in denen Alt-Elektrolyt rur Verfugung steht, werden die besten Ergebnisse hinsichtlich kurzer Induktionszeiten und damit erhöhten Ausbeuten erzielt, wenn ein Elektrolyt zum Anfahren ausgewechselter Elektroden verwendet wird, der mindestens schon mit 1 Ah pro ml in Betrieb war und bereits eine entsprechende Menge Perfluorprodukt von ca. 0,05 g pro ml Elektrolyt produziert hatte.

Die Vorteile des Verfahrens gegenüber herkömmlichen Arbeitsweisen sind ökonomischer und ökologischer Art. Zunächst stellt die Verkürzung der Induktions/eit auf einen naturgemäß nicht beliebig reduzierbaren Wert einen erheblichen Fortschritt dar. Da die Fluorierung von beispielsweise Octansulfonsäurefluorid offensichtlich über mindestens 16, intermediär möglicherweise auftretende Zwischenprodukte verlaufen muß, ist eine natürliche Wartezeit bis zum Auftreten isolierbarer Mengen Perfluoroctansulfonsäurefluorid erforderlich, die aber mit der Induktionszeit und der damit verbundenen destruktiven Fluorierung nichts /u tun hat. Die Verkürzung der Induktionszeit wirkt sich günstig auf die Stoffausbeuten, bezogen sowohl auf organisches Substrat als auch auf Fluorwasserstoff aus. Außerdem geht Weniger Strom für die destruktive Fluorierung verloren. Vor allem wird aber dadurch, daß der Elektrolyt laufend weitefverwendet werden kann, mit Fluorwasserstoff besonders ökonomisch umgegangen. Zudem gehen die teilfluorieftefi Anteile, die in Fluorwasserstoff gute Löslichkeit aufweisen, nicht

verloren und werden kontinuierlich weiterfluoriert.

Fortschrittlich ist vorliegendes Verfahren neben den oben erwähnten ökologischen Gesichtspunkten auch hinsichtlich sicherheitstechnischer Aspekte. Die Explosionsgefährdung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Elektrofluorierungsanlage wird erheblich herabgesetzt. Bekanntlich neigt eine Elektrofluorierungszelle vor allem während der Induktionsphase und zu Beginn einer Elektrolyse ganz besonders zu Explosionen, so daß praktisch ein Wegfall der Induktionszeil auch die Wahrscheinlichkeit, daß es zu Explosionen kommt, weitgehend mindert.

Ip den nachstehenden Beispielen soll die vorliegende Erfindung näher erläutert werden.

Beispiel la

In einem typischen Eiektrolyseversuch wurde eine 30 Liter fassende, mit Mantel- und Rückflußkühlung versehene Elektrolysezelle mit 30 kg eines Elektrolyten beschickt, der von einer früheren Elektrolyse zur Herstellung von Perfluorbutansulfonsäurefluorid aus Butadiensulfon herrührte und bereits 5 Ah/ml in Betrieb gewesen war. Nach der Zugabe einer Lösung von Butadiensulfon in Fluorwasserstoff, entsprechend der Anfangskonzentration von 1 Massen-% Butadiensulfon im Elektrolyten, wurde mit einer mittleren Stromdichte von 6 mA/cm² elektrolysiert. Verwendet wurden Anoden und Kathoden aus Nickel mit einem gegenseitigen Abstand von 3 mm. Die Anodenplatten wurden vor dem Einbau in die Elektrolysezelle in einem Sandstrahl-Gebläse oberflächlich aufgerauht. Die Anodenfläche betrug 12 800 cm². Ohne Unterbrechung der Elektrolyse wurden alle 3 Stunden Butadiensulfon und Fluorwasserstoff nachgegeben, derart, daß die Elektrolytmenge über den gesamten Versuch konstant blieb und auf eine vom Elektrolyten aufgenommene Strommenge von 4 Ah jeweils rund 1 g Butadiensulfon kam. Die Elektrolyt-Temperatur wurde zwischen 8 und 10°C gehalten. Die Elektrolysespannung lag anfänglich bei 5 Volt und stieg gegen Ende des Versuches auf 7 Voll. Die ersten Ausbeuten an Perfluorbutansulfonsäurefluorid von 100 g konnten nach einer Stromaufnahme des Elektrolyten von 0,1 Ah/ml vom Boden der Zelle abgelassen werden. Nach 1.5 Ah/ml wurde die Elektrolyse abgebrochen. Bis zu diesem Zeitpunkt hatten sich insgesamt 16.0 kg Perfiuorbutansulfonylfluorid (100%ig) gebildet. Bei einer Einsatzmenge von insgesamt 11.2 kg Butadiensulfon (99,7%ig) entspricht dies einer Stoffausbente von 56% bezogen auf den theoretischen Wert. Der Verbrauch an Fluorwasserstoff lag bei 22 kg.

Bezogen auf produziertes Perfluorbutansulfonylfluorid errechnet sich ein Stromverbrauch von 2.82 Ah pro Gramm.

Beispiel Ib(Vergleich)

In die unter 'a beschriebene Elektrolysezelle wurde 30 kg frischer Fluorwasserstoff eingefüllt und insgesamt 10Λ kg Butadiensulfon unter den in Beispiel la beschrie bcncn Versuchsbedingungen elektrolysierl Die ersten Mengen Perfiuorbutansulfonylfluorid (50 g) konnten nach 0.75 Ah/ml Stromaufnahme vom Boden der Zelle abgelassen werden. Bei O₁J Ah/ml kam es m einer Explosion durch die eine Berstscheibe zerstört wurde. Nach 1,4 Ah/ml würde die Elektrolyse abgebrochen. Insgesamt hatten sich bis dahin 10,05 kg Perfiuorbutansulfonylfluorid (IOO°/oig) gebildet. Dies entspricht einer Sloffaiisbeute von 37,5% bezogen auf die Theorie. Der Stromverbrauch errechnet sich zu 4,2 Ah/g Pcrfluorbutansulfonylfluorid. An Fluorwasserstoff wurden 51 kg verbraucht.

Beispiel Ic (Vergleich)

In die in Beispiel la beschriebene Elektrolysezelle wurden neue Nickel-Anoden, deren Oberfläche vorher nicht im Sandstrahl-Gebläse bearbeitet worden war, eingebaut. Nach dem Beladen der Zelle mit frischem

in Fluorwasserstoff (30 kg) wurde Butadiensulfon unter gleichen Versuchsbedingungen wie in la elektrolysiert. Auch nach einer Strornaufnahme von 0,9 Ah/ml hatte sich noch kein Perfiuorbutansulfonylfluorid am Boden der Zelle abgesetzt. Dagegen kam es laufend zu

ι ί Explosionen, so daß der Versuch abgebrochen wurde.

Beispiel 2a

Für den Versuch diente eine Elektrolyseanlage bestehend aus Elektrolysezelle und Absetzbehälter,

2n durch die der Elektrolyt während der Elektrolyse zirkulierte. Anoden und Kathoden waren aus Nickel gefertigt und alternierend in eint;>.-. Abstand von 3 mm voneinander entfernt angebracht Vor dem Einbau wurden sie gesandstrahlt. Die Anoden-Fläche betrug

2^r, 26 670 cm². Zum Anfahren wurde in die Elektrolysezelle alter Elektrolyt (5 Ah/ml) eingefüllt, der von einem vorl.^rgehenden Versuch stammte, in dem Butadiensulfon elektrofluoriert worden war. Zum Elektrolyten wurden 0,4 Massen-% Octansulfonsäurefluorid zugegeben und nach dem Einschalten der Elektrolyse Octansulfonsäurefluorid und frischer Fluorwasserstoff kontinuierlich im Maße ihres Verbrauches zudosiert, d. h. jeweils soviel Fluorwasserstoff, daß die Elektrolytmenge konstant blieb, und soviel Octansulfofluorid, daß

5") auf rund 4,5 Ah jeweils 1 g Sulfonylfluorid entfielen. Die Temperatur schwankte zwischen 8 und 10⁰C. die Elektrolysespannung stieg von anfänglich 6 Voll auf

11 Volt gegen Ende des Versuchs.

Nach 0,08 Ah/ml hauen sich die ersten Mengen to Perfluoroctansulfonylfluorid im Absetzbehäker abgeschieden. Nach 0.9 Ah/ml wurde die Elektrolyse beendet. Es hatten sich bis dahin 7.92 kg Perfluoroctansulfonsäurefluorid (100%ig) gebildet, das entspricht bei einer eingesetzten Menge von 5,95 kg Oclansulfonsäu-•r > refluorid einer Stoffausbeute von 52% der Theorie.
Verbrauchte Strommenge: 3.41 Ah/g Perfluoroctansulfonsäurefluorid (100%ig). Fluorwasserstoff-Verbrauch

12 kg.

Beispiel 2b(Vergleich)

Für diesen Versuch wurde dieselbe Elektrolyseanlagc wie in Beispiel ?a verwendet. Nach dem Einfüllen von frischem Fluorwasserstoff wurden 0.4 Massen-% Octansulfonsäureflord vorgelegt und die Elektrolyse

·■. e-.gjschaltet. Die weitere Versuchsführung erfolgte ganz analog zu der in Beispiel 2a. Die ersten Mengen Perfluoroctansi iionsäurcfluorid konnten bei 0.32 Ah/ml abgezogen werden. Bei Versuchsende (0,95 Ah/ml) hatten sich 5.52 kg Pcrfluoroctansulfonsäurefluorid

wi (1OO°/oig) gebildet, was bei einem Verbrauch von insgesamt 6.3., kg Octansulfonsäurefluorid einer Aus beute von 34% entspricht. Der Stromverbrauch errechnet sich zu 5,16 Ah/g Perfluoroctansolfonsäure· fltiörid (i00%ig). An Fluorwasserstoff wurden rund

*'■ 43 kg (einschließlich der für das Anfahren benötigten Anteile) verbraucht.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Perfluoralkansulfonsäurefluoriden durch Elektrolyse einer Lösung eines Alkansulfonsäurehalogenides und/oder eines cyclischen, ungesättigten Sulfons in praktisch wasserfreiem Fluorwasserstoff, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrolyse mit Anoden, deren Oberfläche durch Sandstrahlen behandelt wurde, und mit einem Elektrolyt durchführt, in dem mit wenigstens 1 Ah Strommenge pro ml Elektrolyt bereits elektrolysiert und bereits 0,05 g perforiertes Produkt pro ml Elektrolyt erzeugt worden ist