FR2763930A1 - Procede de preparation d'une solution ultra-pure de peroxyde d'hydrogene par echange ionique sequence : anionique- cationique-anionique-cationique - Google Patents
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Abstract
Procédé de préparation d'une solution ultra-pure de peroxyde d'hydrogène caractérisé en ce qu'il comprend au moins une séquence incluant le passage successif de ladite solution sur au moins quatre lits d'adsorbants échangeurs de cations (AEC) et d'adsorbants échangeurs d'anions (AEA) selon la séquence : (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
L'utilisation du peroxyde d'hydrogène pour les applications de hautes technologies ou les applications dans l'industrie alimentaire, dans l'hygiène, ou la santé, requiert des produits de plus en plus purs qui doivent répondre à des spécifications de plus en plus contraignantes et nombreuses. En particulier, les demandes des utilisateurs se portent vers des solutions de peroxyde d'hydrogène dans lesquelles les teneurs de chaque impureté métallique sont inférieures à une partie par milliard (ppb) et de préférence inférieures à 100 parties par mille milliard (ppt). Dans l'exposé suivant, on appellera de telles solutions, des solutions ultra-pures de peroxyde d'hydrogène.
I1 est bien connu, selon l'art antérieur, qu'il est possible d'éliminer certaines impuretés par passage de la solution sur un lit d'adsorbants échangeurs d'ions. On peut citer par exemple, les polymères de type polystyrène /divinylbenzène fonctionnalisés, les silices, les aluminosilicates, en particulier les variétés à micropores contrôlés tels que les zéolithes ou les charbons actifs; ces solides portent des groupes fonctionnels capables de complexer soit des cations, soit des anions. A titre d'exemples de groupes fonctionnels capable de complexer les cations, on peut citer les groupes carboxyliques, sulfoniques, phosphoniques, hydroxydes, oxyde d'amine, oxyde de phosphine, ou encore les polyoxaalkyles cycliques ou ouverts, tels que par exemple les polymères d'oxyde d'éthylène. A titre d'exemples de groupes fonctionnels capables de complexer les anions, on peut citer les groupes ammonium quaternaires, ou phosphonium quaternaires. Ces adsorbants peuvent également être obtenus par polymérisation d'un monomère portant un groupe fonctionnel, par exemple les acides polyméthacryliques, les acides polyvinylphosphoniques, les polyvinylpyridines, les polyvinylpyrrolidones, les alcools polyvinyliques, les polylactones saponifiées ou les copolymères contenant ces motifs. Les adsorbants les plus souvent décrits, sont, les polystyrènes gels ou réticulés possédant des groupes fonctionnels sulfoniques -SO3H ou triméthylammonium (CH3)3N -.
De nombreuses combinaisons ont été proposées telles que, par exemple, résine anionique puis résine cationique ou résine cationique puis résine anionique, ou encore résine anionique puis résine cationique puis "lit mélangé" cationique + anionique; Des ajouts dans les phases interstades sont également décrits, comme par exemple, l'addition d'acide pour modifier le pH ou l'addition d'agents chélatants, tels que les dérivés aminométhylènecarboxyliques ou aminométhylènephosphoniques.
I1 est bien connu de l'homme du métier que l'emploi d'adsorbants échangeurs d'anions présente de grandes difficultés de mise en oeuvre pour la purification du peroxyde d'hydrogène. En particulier, la forme hydroxyde, sous laquelle ces produits sont généralement disponibles industriellement, ne peut être utilisée directement à cause de sa trop forte basicité, conduisant à une décomposition importante du peroxyde d'hydrogène. De nombreuses publications décrivent l'utilisation d'adsorbants échangés par les ions carbonate ou bicarbonate, moins basiques, pour limiter la décomposition d'hydrogène, sans toutefois la supprimer complètement.
I1 est impératif de pouvoir contrôler ce phénomène de décomposition du peroxyde d'hydrogène sur les lits d'adsorbants, car cette décomposition avec dégagement d'oxygène gazeux étant exothermique, la vitesse est accélérée selon la loi d'Arhénius. La formation d'une poche de gaz peut encore aggraver le phénomène puisqu'en éloignant le liquide du point de décomposition, la chaleur dégagée ne peut plus être éliminée par vaporisation de l'eau et l'on perd l'effet flegmatisant du liquide. Un tel processus est caractéristique d'une réaction divergente qui peut conduire à une réaction extrêmement violente de décomposition autoaccélérée, d'autant plus dangereuse qu'elle est fortement exothermique et produit de l'oxygène gazeux, donc avec une force d'expansion considérable pouvant conduire à des explosions.
La présente invention concerne un procédé de purification d'une solution ultra-pure de peroxyde d'hydrogène caractérisée en ce qu'il comprend au moins une séquence incluant le passage successif de ladite solution sur au moins quatre lits d'adsorbants échangeurs de cations (AEC) et d'adsorbants échangeurs d'anions (AEA) selon la séquence
AEA o AEC -+ AEA o AEC
La solution de peroxyde d'hydrogène à épurer selon la présente invention provenant d'une solution industrielle, a une concentration de 1 à 70% en poids et de préférence de 5 à 50% en poids. Les adsorbants sont choisis parmi ceux qui sont décrits ci-dessus.
AEA o AEC -+ AEA o AEC
La solution de peroxyde d'hydrogène à épurer selon la présente invention provenant d'une solution industrielle, a une concentration de 1 à 70% en poids et de préférence de 5 à 50% en poids. Les adsorbants sont choisis parmi ceux qui sont décrits ci-dessus.
Les lits d'adsorbants présentent un rapport hauteur/diamètre compris entre 0,5 et 100, notamment entre 1 et 50. Dans une première variante préférée, la présente invention a pour objet le procédé tel que défini précédemment dans lequel les lits d'adsorbants présentent chacun un rapport hauteur sur diamètre supérieur à 3, et notamment compris entre 5 et 10 et plus particulièrement égal à environ 6.
De préférence, les adsorbants échangeurs d'anions sont alimentés en mode ascendant, alors que le adsorbants échangeurs de cations sont alimentés en mode descendant. On peut cependant aussi travailler en mode totalement gravitaire dans lequel tous les lits fonctionnent en mode ascendant.
Les débits de solution de peroxyde d'hydrogène, exprimés en volume de solution/heure passée par volume de lit d'adsorbant, varient généralement entre 0,5 et 100, de préférence de 1 à 50 et plus particulièrement de 10 à 30.
I1 est possible de définir les géométries des lits pour que les débits et/ou les vitesses spatiales vraies dans chaque adsorbant soient optimisées. Dans une configuration particulière, on applique une vitesse spatiale rapide lors du passage de la solution dans la première sous-séquence AEAoAEC et une vitesse spatiale lente lors du passage dans la deuxième sous-séquence AEAoAEC;
I1 est également possible de travailler sous pression; on choisira de préférence une pression de travail inférieure à 5 atm relatifs.
I1 est également possible de travailler sous pression; on choisira de préférence une pression de travail inférieure à 5 atm relatifs.
Une température de la solution à purifier selon le procédé tel que décrit précédemment est inférieure ou égale à 300C et de préférence comprise entre -100C et +10 OC.
Dans une variante du procédé tel que défini précédemment, il comprend en amont ou en aval des séquences de passage sur les lits d'adsorbants échangeurs d'ions de la solution à purifier, une ou plusieurs étapes de purification telles que par exemple la distillation, l'extraction liquide, la cristallisation, l'absorption, la filtration, l'ultra-filtration, la nanofiltration, ou l'osmose inverse. Le cas échéant la solution initiale est préalablement mise au titre désiré puis purifiée.
Selon le degré de pureté et de dilution de la solution de peroxyde d'hydrogène à purifier, on met en oeuvre une ou plusieurs de ces étapes complémentaires.
Dans une deuxième préférée de la présente invention, la solution de peroxyde d'hydrogène industrielle à purifier qui est à une concentration de 30 % à 70 %, en poids, est préalablement distillée et mise au titre désiré, puis épurée selon la séquence objet de la présente invention.
Selon une troisième variante du procédé de purification, objet de la présente invention, une solution de peroxyde d'hydrogène de qualité industrielle ou de qualité dite "alimentaire" ayant une concentration d'environ 50 à 70 % en poids subit le traitement préalable suivant : une première étape de distillation/concentration pour obtenir un condensat ayant une concentration supérieure à 80%, plus une première purification par cristallisation à basse température et l'élimination du surnageant. Les cristaux recueillis sont lavés, essorés, puis fondus et la solution obtenue est diluée à 30 ou 35% par de l'eau déionisée de qualité électronique ultra-pure.
Après ledit traitement préalable, la solution résultant est purifiée en mettant oeuvre la séquence objet de la présente invention.
L'invention a aussi pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini précédemment.
Dans une variante préférée de la présente installation, les lits d'adsorbants échangeurs d'anions sont alimentés en mode ascendant et les lits d'adsorbants échangeurs de cations sont alimentés en mode descendant.
Dans une autre variante préférée de l'installation, celle-ci est située sur le site du client tel que, par exemple, un site de fabrication de composants électroniques, et relié directement au point d'utilisation du peroxyde d'hydrogène par celui-ci.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois la limiter:
EXEMPLES
a) Exemple comparatif
Une solution industrielle de peroxyde d'hydrogène est distillée sous vide partiel et diluée pour ramener son titre à 30% en poids par de l'eau ultra pure, pour obtenir une solution A. Celle-ci est ensuite purifiée par passage sur une colonne de résine échangeuse d'anions Dowex
Monosphere A 550 UPE échangée sous forme bicarbonate puis sur une colonne de résine échangeuse de cations DOWEX
Monosphere C 650 UPN pour donner une solution B. L'analyse des contaminants présents dans les solutions A et B donne les résultats suivants (concentrations exprimées en ppt):
EXEMPLES
a) Exemple comparatif
Une solution industrielle de peroxyde d'hydrogène est distillée sous vide partiel et diluée pour ramener son titre à 30% en poids par de l'eau ultra pure, pour obtenir une solution A. Celle-ci est ensuite purifiée par passage sur une colonne de résine échangeuse d'anions Dowex
Monosphere A 550 UPE échangée sous forme bicarbonate puis sur une colonne de résine échangeuse de cations DOWEX
Monosphere C 650 UPN pour donner une solution B. L'analyse des contaminants présents dans les solutions A et B donne les résultats suivants (concentrations exprimées en ppt):
<tb> <SEP> Solution <SEP> A <SEP> Solution <SEP> B
<tb> Na <SEP> 15 <SEP> 000 <SEP> 70 <SEP> à <SEP> 150
<tb> Sn <SEP> 2000 <SEP> à <SEP> 5000 <SEP> 60 <SEP> à <SEP> 120
<tb> Al <SEP> 1000 <SEP> à <SEP> 3000 <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 70
<tb> Fe <SEP> 100 <SEP> à <SEP> 300 <SEP> 40 <SEP> à <SEP> 100
<tb> Ca <SEP> 500 <SEP> à <SEP> 5000 <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 100
<tb>
b) exemple selon l'invention
Une solution industrielle de peroxyde d'hydrogène identique à celle de l'exemple précédent est diluée à 30% par de l'eau ultra-pure et passée successivement sur une résine échangeuse d'anion et une résine échangeuse de cations, dans les mêmes conditions que celles de l'exemple comparatif; On obtient une solution C. La solution C subit un nouveau cycle de purification par passage sur une résine échangeuse d'anions et une résine échangeuse de cations pour donner la solution finale D. L'analyse des contaminants présents dans les solutions C et D donne les résultats suivants (concentrations exprimées en ppt):
<tb> Na <SEP> 15 <SEP> 000 <SEP> 70 <SEP> à <SEP> 150
<tb> Sn <SEP> 2000 <SEP> à <SEP> 5000 <SEP> 60 <SEP> à <SEP> 120
<tb> Al <SEP> 1000 <SEP> à <SEP> 3000 <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 70
<tb> Fe <SEP> 100 <SEP> à <SEP> 300 <SEP> 40 <SEP> à <SEP> 100
<tb> Ca <SEP> 500 <SEP> à <SEP> 5000 <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 100
<tb>
b) exemple selon l'invention
Une solution industrielle de peroxyde d'hydrogène identique à celle de l'exemple précédent est diluée à 30% par de l'eau ultra-pure et passée successivement sur une résine échangeuse d'anion et une résine échangeuse de cations, dans les mêmes conditions que celles de l'exemple comparatif; On obtient une solution C. La solution C subit un nouveau cycle de purification par passage sur une résine échangeuse d'anions et une résine échangeuse de cations pour donner la solution finale D. L'analyse des contaminants présents dans les solutions C et D donne les résultats suivants (concentrations exprimées en ppt):
<tb> <SEP> Solution <SEP> C <SEP> Solution <SEP> D
<tb> Na <SEP> 100 <SEP> 40
<tb> Sn <SEP> 2000 <SEP> à <SEP> 8000 <SEP> 150
<tb> Al <SEP> 1000 <SEP> à <SEP> 4000 <SEP> 150
<tb> Fe <SEP> 100 <SEP> à <SEP> 500 <SEP> 50
<tb> Ca <SEP> 100 <SEP> à <SEP> 500 <SEP> 50
<tb>
On peut ainsi, selon la présente invention, obtenir très facilement, à partir d'une qualité banale industrielle, une solution de peroxyde d'hydrogène de qualité "électronique" contenant moins de 200 ppt de chacun des cations métalliques des colonnes IA à VIII du tableau de la classification périodique des éléments.
<tb> Na <SEP> 100 <SEP> 40
<tb> Sn <SEP> 2000 <SEP> à <SEP> 8000 <SEP> 150
<tb> Al <SEP> 1000 <SEP> à <SEP> 4000 <SEP> 150
<tb> Fe <SEP> 100 <SEP> à <SEP> 500 <SEP> 50
<tb> Ca <SEP> 100 <SEP> à <SEP> 500 <SEP> 50
<tb>
On peut ainsi, selon la présente invention, obtenir très facilement, à partir d'une qualité banale industrielle, une solution de peroxyde d'hydrogène de qualité "électronique" contenant moins de 200 ppt de chacun des cations métalliques des colonnes IA à VIII du tableau de la classification périodique des éléments.
Le procédé selon la présente invention élimine l'étape de distillation qui est coûteuse en terme d'investissement et de main d'oeuvre directe et présente un risque potentiel élevé.
Claims (7)
1. Procédé de préparation d'une solution ultra-pure de peroxyde d'hydrogène caractérisé en ce qu'il comprend au moins une séquence incluant le passage successif de ladite solution sur au moins quatre lits d'adsorbants échangeurs de cations (AEC) et d'adsorbants échangeurs d'anions (AEA) selon la séquence
AEA o AEC o AEA o AEC.
2. Procédé tel que défini à la revendication 1 dans le quel chacun des lits d'adsorbants présente un rapport hauteur sur diamètre supérieur à 3, notamment compris entre 5 et 10 et plus particulièrement égal à environ 6.
3. Procédé tel que défini à l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en amont ou en aval de la séquence de passage sur les lits d'adsorbants échangeurs d'ions de la solution à purifier, une ou plusieurs étapes de purification telles que par exemple la distillation l'extraction liquide, la cristallisation, l'absorption, la filtration, l'ultra-filtration, la nanofiltration, ou l'osmose inverse et si désiré une mise au titre préalable de la solution initiale à purifier.
4. Procédé tel que défini à l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la solution de peroxyde d'hydrogène industrielle à purifier qui est à une concentration de 30 % à 70 % en poids, est préalablement distillée et mise au titre désiré.
5. Procédé tel que défini à l'une des revendications 1 à 4, dans lequel, une solution de peroxyde d'hydrogène de qualité industrielle ou de qualité dite "alimentaire" ayant une concentration d'environ 50 à 70% en poids subit le traitement préalable suivant : une première étape de distillation/concentration pour obtenir un condensat ayant une concentration supérieure à 80%, plus une première purification par cristallisation à basse température et l'élimination du surnageant. Les cristaux recueillis sont lavés, essorés, puis fondus et la solution obtenue est diluée à 30 ou 35% par de l'eau déionisée de qualité électronique ultra-pure.
6. Installation pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini à l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle est située sur le site d'utilisation de la solution ultra-pure de peroxyde d'hydrogène et notamment sur un site de fabrication de composants électroniques.
7. Installation telle que définie à la revendication 6, dans laquelle les lits d'adsorbants échangeurs d'anions sont alimentés en mode ascendant et les lits d'adsorbants échangeurs de cations sont alimentés en mode descendant.
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