DE2854543A1 - Verfahren zur solereinigung fuer die alkalichlorid-elektrolyse - Google Patents

Verfahren zur solereinigung fuer die alkalichlorid-elektrolyse

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DE2854543A1 DE19782854543 DE2854543A DE2854543A1 DE 2854543 A1 DE2854543 A1 DE 2854543A1 DE 19782854543 DE19782854543 DE 19782854543 DE 2854543 A DE2854543 A DE 2854543A DE 2854543 A1 DE2854543 A1 DE 2854543A1
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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/34Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis
    • C25B1/46Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis in diaphragm cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01DCOMPOUNDS OF ALKALI METALS, i.e. LITHIUM, SODIUM, POTASSIUM, RUBIDIUM, CAESIUM, OR FRANCIUM
    • C01D3/00Halides of sodium, potassium or alkali metals in general
    • C01D3/14Purification
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Description

  • Verfahren zur Solereinigung für die Alkalichlorid-Elektro-
  • lyse Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Calciumionen aus verunreinigten Alkalichlorid-Solen. Für die Reinigung von Salzsolen zur Verwendung bei der Alkalichlorid-Elektrolyse sind eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen worden. In der Hauptsache sollen dabei die verschiedenen in der Rohsole enthaltenen Härtebestandteile, insbesondere Calcium und Magnesium soweit wie möglich entfernt werden, da sie den Betrieb der Elektrolyse stören.
  • Steinsalz-Rohsolen enthalten etwa 100 - 500 mg/l Calcium und 50 - 200 mg/l Magnesium. Bei der Elektrolyse nach dem Amalgam-Verfahren sollte die eingesetzte Sole jedoch nur 5 mg/l Calcium und 1 mg/l Magnesium enthalten. Der klassische Reinigungsprozeß zur Erreichung dieses Ziels ist der Lauqe-Soda-Prozeß, bei dem Calcium als Carbonat und Maqnesium als Hydroxyd gefällt und durch Filtration aus dem Solestrom entfernt werden Die Ausfällunq geschieht etwa gemäß den folgenden Gleichungen Gleichzeitig mit der Verringerung der Calcium- und Magnesium-Gehalte auf die oben angegebenen Werte werden dabei auch hydroxitildende Schwermetalle aus der Rohsole weitgehend entfernt.
  • Es sind ferner Reinigungsverfahren für Salzsolen bekannt, die mit Ionenaustauschern arbeiten. Dabei werden insbesondere Austauschharze angewandt, die Aminoessigsäure-Reste enthalten, also speziell für die Chelat-Bildung mit Calcium und Magnesium geeignet sind. Je nach dem angewandten Verfahren und den Austauschertypen schwanken die Angaben über die Reinigungswirkung beträchtlich. So finden sich Werte von 1,2 mg/l Calcium und 0,7 mg/l Magnesium aber auch Angaben von unter 0,1 mg/l. Nachteilig ist bei den Ionenaustauschern die Notwendigkeit der häufigen Regeneration mit Waschf-lüssigkeiten und deren Beseitigung sowie die mangelhafte Stabilität der Ionenaustauscherharze bei wiederholter Regeneration und die Schädigung des Austauschermaterials, die von Bestandteilen der Sole hervorgerufen wird.
  • In der US-PS 24 33 601 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem beim Auflösen von Steinsalz durch Zusatz von Alkalicarbonat oder Alkaliphosphat das In-Lösung-gehen von Calcium-oder Sulfationen unterdrückt werden soll Dabei erhält man in der Tat eine wesentliche Verringerung des Verhältnisses Natrium/Calcium. Dennoch gelingt es mit diesem Verfahren nicht aus Steinsalz (Gehalt an Calcium ca. 1000 bis 3000 ppm) eine Rohsole mit weniger als 5 mg/l Calcium zu erhalten. Vielmehr muß die Rohsole mit dem oben erwähnten Lauge-Soda-Prozeß gereinigt werden Man hat auch schon Polyphosphate (Pyrophosphat, Triphosphat, Met aphosphate) eingesetzt um bei der Herstellung von Salzsolen für die Alkalichloridelektrolyse in Diaphragma- oder Amalgamzellen die Lösungsgeschwindigkeit von Calciumsulfat-Verunreinigungen von Steinsalz zu verringern.
  • Diese Polyphosphate werden dem Wasser oder der zum Lösen verwendeten Dünnsole zugesetzt. Dabei lassen-sich Calciumkonzentrationen von etwa 30 mg/l Sole erreichen. Auch hier muß in jedem Fall die Sole anschließend noch in der oben beschriebenen Weise mit Lauge und Soda nachgereinigt werden, damit sie in Alkalichlorid-Elektrolysezellen eingesetzt werden kann. Der Sinn des Phosphatzusatzes ist daher in der Verringerung des Verbrauchs der Fällungschemikalien und nicht in einer Feinreinigung der Sole zu sehen.
  • Phosphatzusätze zur Sole werden auch benutzt, um bei der Alkalichlorid-Elektrolyse mit Ionenaustauschermembranen ein unlösliches Gel auf der Soleseite der Membran zu erzeugen und so die Eigenschaften der Membran zu verbessern (DE-AS 2 307 466). Nach dem angegebenen Verfahren läßt sich auf der Membran in der Tat eine weißliche Schicht erzeugen. Diese neigt aber dazu bei längerem Betrieb dazu von der Membran abzufallen und dabei zu Schlammansammlungen in der Zelle und zu einer Verstopfung der Produkt-Leitungen zu führen. Die vorgeschlagene Spülung der Zelle mit sauren Lösungen zum Auflösen des Niederschlages erfordert Betriebsunterbrechungen und ist nach Angaben des Membranherstellers DuPont nicht zu empfehlen. Insbesondere können bei der Elektrolyse mit stark angesäuerter Sole Membranen, die kathodenseitig schwach saure Sulfonamid- oder Carboxygruppen tragen, geschädigt werden.
  • Da Metallionen, die im alkalischen Milieu Niederschläge hilden, sich in der Ionenaustauschermembran in kristalliner Form ablagern und diese zerstören, ist die Solereinigung bei Alkalichlorid-Elektrolyse mit lonenaustauschermembranen von besonderer Wichtigkeit. So kommt es in Gegenwart von Calciumionen und anderen Härterbestandteilen zu einer Zunahme der erforderlichen Zellenspannung der Elektrolysezellen und einer Abnahme der Stromausbeute (vgl.
  • Ch. J. Molnar u. M.M. Dorio, Effects of Brine Purity on Chlor-Alkali Membrane Performance, Paper presented at the Electrochemical Society Fall Meeting, October 1977, Atlanta, Georgia, USA). Neben dem Einbau des Calciums in die Ionenaustauschermembran bilden sich auf der Sole seite der Membran aus Calciumionen und Hydroxydionen, die von der Laugeseite durch die Membran zur Soleseite wandern, gelartige Niederschläge, die wahrscheinlich aus Metallhydroxyden bestehen. Diese Schichtbildung führt ebenfalls zu einer Erhöhung des Innenwiderstands der Zellen und damit zu gesteigertem Energieverbrauch.
  • Es bestand daher die Aufgabe Salzsolen, die für dle Alkalichlorid-Elektrolyse mittels Ionenaustauschermembran bestimmt sind, noch weitgehender als bisher ZU reinigen, um so jede Art von Niederschlagsbildung auf der Membran zu vermeiden. Insbesondere sollte der Gehalt an Ionen von Calcium, Magnesium und Eisen auf jeweils unter 0,5 mg/l gesenkt werden.
  • Es wurde nun ein Verfahren zur Reinigung von Salzsolen für die Alkalichlorid-Elektrolyse, die durch Calciumionen verunreinigt sind, durch Zusatz von Phosphaten gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in die Salzsole eine zur Ausfällung von Calcium als Ca(OH)(P04) ausreichende Menge an Orthophosphat-Ionen einbringt, man im alkalischen Milieu reagieren läßt und anschließend den gebildeten Niederschlag von der gereinigten Sole abtrennt.
  • Am einfachsten werden Orthophosphat-Ionen eingebracht durch Zusatz von Alkalisalzen der Orthophosphorsäure, wie NalI2PO4, Na2HPO4 oder Na3P04. Ebenso kann freie Phosphorsäure eingesetzt werden. Allgemein können Phosphorverbindungen benutzt werden, die unter den Bedingungen der Alkalichlorid-Elektrolyse, bzw. einer vorgeschalteten Reinigungs- oder nachgeschalteten Aufarbeitungsstufe Orthophosphationen abspalten (Beispiel: Phosphoroxychlorid). Verwertbar sind daher auch Polyphosphate wie Na4P207, Na5P3010 und Alkalimetaphosphate. Diese Verbindungen zerfallen ent- weder im sauren Milieu der Anodenkammer oder der Entchlorung, oder sie hydrolysieren unter den alkalischen Bedingungen des Lauge-Soda-Prozesses. Dieser hydrolytische Zerfall ist jedoch zeitabhängig und für eine rasche Ausfällung des Calciums nicht geeignet. Ähnliches gilt für den möglichen Einsatz organischer Phosphorsäureester (Beispiel: Phosphorsäuretrimethylester). Bevorzugt werden Phosphorsäure und Alkaliorthophosphate. Es ist vorteilhaft Orthophosphat-Ionen in Überschuß einzusetzen. Dieser überschuß wird vorzugsweise so bemessen, daß nach Abtrennung des Calciumphosphatüberschlages noch mindestens 10 mg/l Orthophosphat-Ionen in der Lösung vorhanden sind. Je nach dem Grad der Verunreinigungen der Rohsole reichen Zusätze von 20 bis 1000 mg/l, insbesondere 50 bis 300 mg/l Phosphor säure aus.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich zur Reinigung von Natriumchlorid-Sole gut bewährt.
  • Die Fällung des Calciumphosphatniederschlages erfolgt zwischen pH 7 und pH 14, insbesondere pH 8 bis pH 13. In der Praxis wird man pH-Werte von 10 bis 12 einstellen, um die Fällung durchzuführen. Je niedriger dabei der pH-Wert ist umso höhere Überschüsse an Phosphationen sind notwendig um eine bestimmte Calciumkonzentration zu unterschreiten.
  • Die Bildung des Calciumphosphatniederschlages benötigt etwa eine Stunde. Längere Reifunqszeiten erhöhen die Kristallinität des gebildeten Niederschlages, geringere Reaktionszellen verringern sie. Der gebildete Niederschlag wird vorzugsweise abfiltriert; man kann jedoch auch andere Mittel zur Abtrennung einsetzen, beispielsweise Zentrifugieren.
  • Zur Filtration können alle für Klärfiltration geeigneten Filter verwendet werden, wie z.B. Kerzenfilter, Kesselfilter (z.B. KeIly-FiIter), Taschen-Filter (z.B.Q Scheibler-Filter3, Platten-Filter (z.B.0R Funda-Filter). Dabei können durchaus Filterhilfsmittel verwendet werden; im allgemeinen reicht jedoch ein Filtertuch aus Siebgeweben, Filzen oder Fliesen mit Porengrößen von 2 bis 50 ßm aus, um den gewünschten Reinigungseffekt zu erzielen.
  • Um die Menge an Phosphorsäure zu verringern und um einen möglichst niedrigen Calciumgehalt zu erreichen, ist es sinnvoll die durch Calcium-Ionen verunreinigte Rohsole zuerst in an sich bekannter Weise nach dem Lauge-Soda-Verfahren (ggf. unter Zusatz von Bariumcarbonat) von der Hauptmenge der Verunreinigungen zu befreien und erst anschließend Orthophosphat-Ionen in die vorgereinigte Salzsole einzubringen. Das gilt insbesondere, wenn man bei der Soleherstellung von Steinsalz ausgeht. Bei Verwendung von Siedesalz, das im allgemeinen weniger Calcium als Steinsalz enthält, kann die Vorreinigung mit Lauge und Sole entfallen und direkt die Phosphatfällung des Calciums vorgenommen werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders wertvoll für die Reinigung von Alkalichiorid-Solen, die in einer Membranzelle unter Verwendung einer Katiqnenaustauscher-Membran elektrolysiert werden sollen. Vorzugsweise werden perfluorierte Membranen mit Sulfonsäure-, Carbonsäure- und Sulfonamidgruppen eingesetzt. Solche Membranen sind beispielsweise Gegenstand der DE-OS 2 546 205, der DE-OS 2 447 540, der DE-OS 2 546 194 und der US-PS 4 025 405.
  • Es ist bekannt, daß man bei der Elektrolyse von Alkalichlorid-Solen nur einen Teil des in die Zellen eingeführten Alkalichlorids, beispielsweise 10 %, elektrolytisch zersetzt. Anschließend wird die verarmte Sole wieder mit frischem Alkalichlorid in Berührung gebracht und aufgestärkt. Diese kontinuierliche Arbeitsweise kann auch beim erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden. Die Erfindung wird durch das folqende Beispiel näher erläutert.
  • Beispiel Eine Natriumchlorid-Sole, die aus Steinsalz bereitet und dem in der Alkalichlorid-Elektrolyse üblichen NaOH/Na2C03/-BaC03-Reinigungsverfahren unterworfen worden war, wurde auf pH = 9,3 eingestellt. Diese Sole enthielt 5,5 mg/l Calcium.
  • Aus Trinatriumphosphat Na3P04 ca. 0,5 1120 wurde eine wäßrige Lösung angesetzt, die 118 g/l enthielt.
  • Diese Lösung wurde der 650C warmen, fließenden Sole im Verhältnis 1:660 zudosiert, so daß diese 178 mg/l Trinatriumphosphat, entsprechend 100 mg/l Orthophosphorsäure, enthielt.
  • Nach Durchfließen eines größeren Behälters, (Verweilzeit ca. 1 h) wurde die den Phosphatniederschlag enthaltende Sole einem Taschenfilter zugeführt. Das Filter war mit einem Siebgewebe von 5 gm Porenweite versehen. Eine Soleprobe nach diesem Filter hatte einem Calciumgehalt von 0,2 mg/l Ca.
  • Nach mehrstündiger Filtration war das Filtertuch mit einem weißlichen, kristallinen Niederschlag bedeckt, der durch Abspritzen leicht entfernt werden konnte. Eine getrocknete Probe des Niederschlags bestand nach einer Röntgenbeugungsanalyse aus Hydroxylapatit.

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Reinigung von Salz-Solen für die Alkalichlorid-Elektrolyse, die durch Calcium-Ioneh verunreinigt sind F durch Zusatz von Phosphaten, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Sole eine zur Ausfällung von Calcium als Hydroxylapatit ausreichende Menge Orthophosphat-Ionen einbringt, man im alkalischen Milieu reagieren läßt und anschließend den gebildeten Niederschlag von der gereinigten Sole abtrennt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz an Orthophosphat-Ionen so bemessen ist, daß nach Abtrennung des Niederschlages noch mindestens 10 mg/l Orthophosphat-Ionen in der Lösung vorhanden sind.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Natriumchlorid-Sole eingesetzt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die durch Calciumionen verunreinigte Sole in an sich bekannter Weise mit Natriumhydroxyd, Natriumcarbonat und ggf. Bariumcarbonat von der Hauptmenge der fällbaren Verunreinigungen befreit und anschließend Orthophosphat-Ionen in die vorgereinigte Natriumchlorid-Sole einbringt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkalichlorid-Elektrolyse in einer Membranzelle durchgeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kationenaustauscher-Membran in der Membranzelle die Anodenkammer von Kathodenkammer trennt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch .6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kationenaustauscher-Membran einen perfluorierten Kohlenwasserstoff mit sauren Gruppen darstellt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2994566A1 (fr) * 2012-08-16 2014-02-21 Tecsel Procede de regeneration de saumures usagees

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