ITMI932736A1 - Procedimento di fabbricazione di un idrossido di un metallo alcalino - Google Patents
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Abstract
Procedimento di fabbricazione di un idrossido di un metallo alcalino, secondo il quale si impiega una cella di elettrodialisi a tre compartimenti, si fa circolare una soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino in un compartimento salino della cella, delimitato tra una membrana anionica e una membrana cationica, si introduce un alogenuro di un metallo alcalino in un compartimento acido della cella, delimitato tra la membrana anionica e una faccia cationica di una membrana bipolare e si preleva una soluzione acquosa di un idrossido di un metallo alcalino da un compartimento alcalino della cella, delimitato tra la membrana cationica e una faccia anionica della membrana bipolare.
Description
DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE
L'invenzione riguarda un procedimento di fabbricazione di un idrossido di un metallo alcalino.
Essa riguarda, pi? in particolare un procedimento di fabbricazione di un idrossido di un metallo alcalino, in particolare idrossido di sodio, mediante elettrodialisi di una soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino in una cella di elettrodialisi .
Nel brevetto US-A-4.592.817, viene descritto un procedimento di fabbricazione di soluzioni acquose di un idrossido di un metallo alcalino mediante elettrodialisi di soluzioni acquose di un cloruro di un metallo alcalino in una cella di elettrodialisi del tipo a tre compartimenti definiti rispettivamente tra una membrana anionica, una membrana cationica e una membrana bipolare che ? interposta tra la membrana anionica e la membrana cationica. Per questo scopo, si introduce una soluzione acquosa di un cloruro di un metallo alcalino nel compartimento salino della cella, delimitato tra la membrana anionica e la membrana cationica e, da un lato, s.i raccoglie una soluzione acquosa di un idrossido di un metallo alcalino del compartimento alcalino, delimitato tra la membrana cationica e una faccia anionica della membrana bipolare e, d'altro canto si raccoglie una soluzione acquosa di acido cloridrico del compartimento acido, delimitata tra la membrana anionica e una faccia cationica della membrana bipolare.
In questo procedimento noto, la soluzione acquosa di un idrossido di un metallo alcalino che viene raccolta dalla cella di elettrodialisi viene diluita dall'acqua di idratazione dei cationi del metallo alcalino che attraversano la membrana cationica. La concentrazione della soluzione acquosa di idrossido di un metallo alcalino, pertanto, dipender? dalla concentrazione della soluzione di cloruro di un metallo alcalino impiegato. Usualmente, si impiegano soluzioni notevolmente saturate di cloruro di metallo alcalino. Tuttavia, in pratica, si osserva che le soluzioni acquose di un idrossido di un metallo alcalino ottenute in questo procedimento noto hanno un tenore in acqua notevolmente superiore a quello previsto in funzione della concentrazione della soluzione di cloruro di un metallo alcalino e delle condizioni di funzionamento della cella di elettrodialisi, ci? pu? costituire un inconveniente
L'invenzione ha per scopo di rimediare a questo inconveniente del procedimento noto descritto sopra mettendo a disposizione un procedimento migliorato che consente di ottenere soluzioni acquose di un idrossido di un metallo alcalino pi? concentrate. L'invenzione, pertanto, riguarda un procedimento di fabbricazione di un idrossido di un metallo alcalino secondo il quale si impiega una cella di elettrodialisi a tre compartimenti, si fa circolare una soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino in un compartimento salino della cella, delimitato tra una membrana anionica e una membrana cationica e si estrae una soluzione acquosa di idrossido di un metallo alcalino da un compartimento alcalino della cella, delimitato tra la membrana cationica e una faccia anionica di una membrana bipolare; secondo l'invenzione, si introduce un alogenuro di un metallo alcr*alino in un compartimento acido della cella, che ? delimitato tra la membrana anionica e una faccia cationica della membrana bipolare.
Nel procedimento secondo l 'invenzione, si intende indicare, con membrana cation?ca, un foglio sottile, non poroso, selettivamente 'permeabile ai cationi e impermeabile.? agli anioni. Le membrane cationiche utilizzabili nel procedimento secondo l'invenzione devono essere di un materiale inerte nei confronti delle soluzioni acquose di idrossido di sodio. Membrane cationiche utilizzabili nel procedimento secondo l'invenzione sono, per esempio, fogli di polimero fluorurato contenenti gruppi funzionali cationici derivati da acidi,solfonici, da acidi carbossilici oppure da acidi fosfonici oppure miscele di tali gruppi funzionali. Membrane particolarmente adatte per questa applicazione della cella secondo l'invenzione sono celle note sotto le denominazioni NAFION (DU PONT) e FLEMION (ASAHI GLASS COMPANY Ltd)
Una membrana anionica ? un foglio sottile, non poroso, selettivamente permeabile agli anioni e impermeabile ai cationi. Membrane anioniche utilizzabili nel procedimento secondo l'invenzione sono fogli di un materiale polimerico inerte nei confronti delle soluzioni acquose acide oppure basiche e che contiene gruppi di ammonio quaternario oppure di piridinio, che hanno la funzione di siti anionici fissi.
Le membrane bipolari sono membrane che presentano, su una faccia le propriet? di una membrana cationica e, sull'altra faccia le propriet? di una membrana anionica". In generale, esse possono venire ottenute mediante collegamento di una membrana cationica e di una membrana anionica adottando per questo scopo, per esempio, la tecnica descritta nella domanda internazionale di brevetto WO 83/1059.
La cella di elettrodialisi impiegata nel procedimento secondo l'invenzione ? divisa in tre compartimenti da una membrana cationica, una membrana anionica e una membrana bipolare. La membrana bipolare ? interposta tra la membrana cationica e la membrana anionica in modo che la sua faccia anionica sia orientata verso la membrana cationica e in modo che la sua faccia cationica sia orientata verso la membrana anionica. La cella ? disposta tra un anodo e un catodo raccordati, rispettivamente, al morsetto positivo e al morsetto negativo di una sorgente di corrente continua. La disposizione d? questi due elettrodi ? tale che la membrana cationica sia diretta verso l'anodo e la membrana anionica sia diretta verso il catodo. In pratica, si associano parecchie celle di elettrodialisi in serie tra l'anodo e il catodo, in modo da costituire un apparecchio per elettrodialisi industriale.
Qui di seguito, il compartimento delimitato tra la membrana anionica e la membrana cationica verr? denominato compartimento salino, il compartimento delimitato tra la membrana cationica e la membrana bipolare sar? denominato compartimento alcalino e il compartimento delimitato tra la membrana anionica e la membrana bipolare verr? denominato compartimento acido .
In modo di per s? noto, si introduce una soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino nel compartimento salino della cella e si raccoglie una soluzione acquosa di un idrossido di un metallo alcalino dal compartimento alcalino.
Secondo l'invenzione, si introduce un alogenuro di un metallo alcalino nel compartimento acido e si raccoglie, all'uscita di questo compartimento, una soluzione acquosa di un acido alogeniclrico e di un alogenuro di un metallo alcalino.
Per definizione, un acido alogenidrico ? un acido di formula generale HX, nella quale X indica un alogeno, per esempio il cloro.
Nel procedimento secondo l'invenzione, l'alogenuro non sembra critico. S? preferisce scegliere il cloruro.
L'alogenuro di un metallo alca3i.no della, soluzione che viene introdotto nel compartimento acido pu? essere identico oppure diverso dall'alogenuro di un metallo alcalino della soluzione del comparatimento salino. In pratica, si preferisce impiegare il medesimo alogenuro di un metallo alcalino nei due compartimenti.
La concentrazione della soluzione acquosa di alogenuro di un metallo alcalino che viene introdotta nel compartimento salino non ? critica. Tuttavia, in pratica si preferisce impiegare una soluzione notevolmente saturata alla temperatura e alla pressione che si hanno nella cella di elettrodialisi.
L'alogenuro di un metallo alcalino pu? venire introdotto nel compartimento acido in una qualsiasi forma compatibile con l'ottenimento di una soluzione acquosa in detto compartimento, per esempio allo stato solido anidro, allo stato di una sospensione acquosa oppure allo stato di una soluzione acquosa. Si preferisce impiegarlo allo stato di una soluzione acquosa. Questa pu? essere una soluzione notevolmente saturata oppure una soluzione diluita. Si pu? impiegare l'acqua di mare.
Per altro, a parit? di qualsiasi altra condizione, si osserva che l'introduzione di un alogenuro di un metallo alcalino nel compartimento acido ha come risultato di fare aumentare la concentrazione della soluzione di idrossido di un metallo alcalino raccolta dal compartimento alcalino. Sebbene gli inventori desiderino non essere legati da una spiegazione teorica, essi pensano che l' alogenuro di un metallo alcalino introdotto nel compartimento acido abbia per effetto di fare diminuire la diffusione osmotica dell'acqua attraverso la membrana bipolare, dal compartimento acido verso il compartimento alcalino.
La quantit? di alogenuro di un metallo alcalino che viene introdotta nel compartimento acido, pertanto, sar? imposta dalla concentrazione ricercata per la soluzione acquosa di idrossido di un metallo alcalino raccolta dal compartimento alcalino. Inoltre, essa dipender? dalla concentrazione della soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino, nel compartimento alcalino, e dipender? anche dalle membrane impiegate. Pertanto, essa deve venire determinata in ciascun caso particolare. In pratica, in generale, si regola l'introduzione dell 'alogenuro di un metallo alcalino nel compartimento acido per ottenere in questo una soluzione acquosa di acido alogenidrico contenente pi? di 0,1 (preferibilmente almeno 0,5) moli di un alogenuro di un metallo alcalino per litro e meno di 4 (preferibilmnete al massimo 3) moli di un alogenuro di un metallo alcalino per litro. Le concentrazioni di 0,5 fino a 2 moli di un alogenuro di un metallo alcalino per litro di soluzione del compartimento acido sono particolarmente raccomandate, in particolare per produrre, nel compartimento alcalino, soluzioni acquose contenenti sostanzialmente da 3 a 10 moli di idrossido di metallo alcalino per litro.
Nel procedimento secondo l 'invenzione, dal compartimento salino, si raccoglie una soluzione acquosa diluita di un alogenuro di un metallo alcalino .
In una forma di realizzazione vantaggiosa del procedimento secondo l'invenzione, l'alogenuro di un metallo alcalino viene introdotto nel compartimento acido allo stato di una soluzione acquosa diluita che comprende una frazione almeno della soluzione acquosa diluita di un alogenuro di un metallo alcalino che viene estratta dal compartimento salino. Questa forma di realizzazione del procedimento secondo l'invenzione consente di risparmiare acqua.
Allo scopo di regolare la concentrazione della soluzione di un idrossido di un metallo alcalino raccolta dal compartimento alcalino oppure la produttivit? della cella di elettrodialisi, si pu? conformemente ad una forma particolare di realizzazione 'dell'invenzione, alimentare il compartimento alcalino con acqua oppure con una soluzione acquosa diluita di un idrossido di un metallo alcalino.
Il procedimento secondo l'invenzione ha una applicazione interessante nella produzione di idrossido di sodio. In questa applicazione dell'invenzione, la soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino che viene introdotta nel compartimento salino ? una soluzione ?acquosa di un alogenuro di sodio (preferibilmente -di cloruro di sodio). L'alogenuro di un metallo alcalino che viene introdotto nel compartimento acido, vantaggiosamente, ? alogenuro di sodio (preferibilmente cloruro di sodio ).
Il procedimento secondo l'invenzione presenta il notevole vantaggio di consentire la;fabbricazione, mediante elettrodialisi, di soluzioni pi? concentrate di un idrossido di un metallo alcalino, partendo da soluzioni di un alogenuro di un metallo alcalino. Esso presenta l'interiore vantaggio di fare migliorare la resa di corrente della membrana anionica, la resa di corrente della membrana anionica essendo, per definizione, la frazione molare dell'anione alogenuro che attraversa effettivamente la membrana sotto l'azione di un Faraday.
Particolarit? e dettagli dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue dei disegni allegati.
La figura 1 rappresenta schematicamente una apparecchiatura di elettrodialisi per l ' impiego di una forma di realizzazione particolare del procedimento secondo l'invenzione.
La figura 2 ? una variante dell'impianto della figura 1.
In queste figure, uguali numeri di riferimento indicano elementi identici.
L'apparecchiatura rappresentata nella figura 1 comprende un apparecchio per elettrodialisi costituito da parecchie celle di elettrodialisi elementari 1, associate in serie, in un compartimento 2, tra un anodo 3 e un catodo 4 che sono collegati rispettivamente al morsetto positivo e al morsetto negativo di una sorgente di corrente continua. Per ragioni di semplicit?, nella figura viene rappresentata un'unica cella di elettrodialisi 1.
La cella di eletrrodialisi 1 comprende, successivamente, tra il catodo 4 e l'anodo 3, una membrana anionica 5, una membrana bipolare 6 e una membrana cationica 7, che delimitano, rispettivamente, un compartimento salino 8, un compartimento acido 9 e un compartimento alcalino 10. La membrana bipolare 6 ha la sua faccia anionica 11 diretta verso l'anodo 3 e la sua faccia cationica 12 diretta verso il catodo 4.
Durante il funzionamento dell'apparecchio per elettrodialisi della figura 1, si introduce una soluzione acquosa notevolmente saturata con cloruro di sodio 13 nel compartimento salino 8 della cella, si introduce una soluzione acquosa diluita di cloruro di sodio 14 nel compartimento acido 9 e si prelevano, rispettivamente, una soluzione diluita di cloruro di sodio 15 dal compartimento salino 8, una soluzione acquosa acida di cloruro di sodio 16 dal compartimento acido 9 ed una soluzione di idrossido di sodio 17 dal compartimento alcalino 10. Sotto l'effetto del campo elettrico generato dagli elettrodi 3 e 4, avviene una dissociazione di acqua sulla membrana bipolare 6 che porta alla formazione di protoni nel compartimento acido 9 e di cationi ossidrili nel compartimento alcalino 10. Contemporaneamente, cationi sodio migrano dal compartimento salino 8 verso il compartimento alcalino 10 e anioni cloruro migrano dal compartimento salino 8 verso il compartimento acido 9. Peraltro, l'acqua diffonde verso il compartimento alcalino 10, da un lato con i cationi sodio attraverso la membrana cationica 7 e, d'altro canto, per effetto di osmosi attraverso la membrana bipolare 6. Si ottiene cos? una diluizione della soluzione di idrossido di sodio nel compartimento alcalino 10. La soluzione di cloruro di sodio 14 ha la funzione di far diminuire il contenuto di acqua nella soluzione di idrossido di sodio 17, tutti gli altri parametri rimanendo, per il resto uguali .
In una froma di realizzazione particolare del procedimento secondo l'invenzione, schematizzata nella figura 2, si preleva una frazione della soluzione acquosa diluita di cloruro di sodio 15 raccolta dal compartimento salino 8 e la si introduce nel compartimento acido 9 dove essa costituisce la soluzione diluita 14 precedentemente citata.
Gli esempi che seguono servono a illustrare l'invenzione .
In questi esempi si impiega una cella di elettrodialisi del tipo di quella schematizzata nella figura 1. La cella ? stata dotata di una membrana anionica SELEMION (ASAHT GLASS), di una membrana cationica NAFION (serie 900) e di una membrana bipolare ottenuta mediante collegamento di una membrana anionic? RAIPORE R-1030 (Pali Rai) e di una membrana cationica RAIPORE R-4010 (Pali Rai).
Si ? alimentato il compartimento salino con una soluzione acquosa satura di cloruro di sodio e si ? effettuata l?elettrodialisi con una densit? di corrente di 1,5 kA/m di membrana bipolare. La temperatura di esercizio nella cella ? stata mantenuta a circa 50?C.
Si ? misurata la concentrazione della soluzione di idrossido di sodio prodotta nel compartimento alcalino e si ? misurato il rendimento di corrente della membrana anionica.
Esempio 1 (conforme all'invenzione)
In questo esempio, si ? alimentato il compartimento acido con una soluzione acquosa di cloruro di sodio, in modo da mantenere, nel compartimento acido, una concentrazione sensibilmente: uguale a 1,3 moli di NaCl per litro di soluzione.
Dopo 35 giorni di funzionamento, si sono ottenuti i seguenti risultati:
Concentrazione della soluzione di idrossido di sodio raccolta del compartimento alcalino: 250 g/kg.
Rendimento di corrente della membrana ani onica: 84,4%
Esempio 2 (conforme all'invenzione)
Si ? ripetuta la prova dell'esempio 1 con la differenza che si ? mantenuta, nel compartimento acido, una concentrazione sostanzialmente uguale a 0,6 moli di NaCl per litro di soluzione.
Dopo 28 giorni di funzionamento , si sono ottenuti i seguenti risultati:
Concentrazione della soluzione di idrossido di sodio raccolta dal compartimento alcalino: 220 g/kg Rendimento di corrente della membrana anionica: 86%
Esempio 3 (di riferimento)
Si sono ripetute tutte le condizioni della prova dell'esempio 1, tranne che non si ? introdotta la soluzione di cloruro di sodio nel compartimento acido della cella di elettrodialisi.
Dopo 35 giorni di funzionamento, si sono messi in evidenza i seguenti risultati:
Concentrazione della soluzione di idrossido di sodio raccolta dal compartimento alcalino: 190 g/kg.
Rendimento di corrente della membrana anionica: 85,0% .
Un confronto tra i risultati degli esempi 1 e 2 (confermi all'invenzione) e quelli dell'esempio 3 (di riferimento) mette in evidenza il progresso realizzato dall'invenzione per ci? che riguarda la concentrazione d?lia soluzione acquosa di idrossido di sodio prodotta e il rendimento di corrente.
Claims (9)
- RIVENDIGAZIONI 1. Procedimento di fabbricazione di un idrossido di un metallo alcalino, secondo il quale si impiega una cella di elettrodialisi a tre compartimenti, si fa circolare una soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino in un compartimento salino della cella, delimitato tra una membrana anionica e una membrana cationica, e si estrae una soluzione acquosa di un idrossido di un metallo alcalino da un compartimento alcalino della cella, delimitato tra la membrana cationica ed una faccia anionica di una membrana bipolare, caratterizzato dal fatto che si introduce un alogenuro di un metallo alcalino in un compartimento acido della cella, che ? delimitato tra la membrana anionica e una faccia cationica della membrana bipolare.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino del compartimento salino ? sostanzialmente saturata in alogenuro di un metallo alcalino.
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che l'alogenuro di un metallo alcalino viene introdotto nel compartimento acido allo stato di una soluzione acquosa.
- 4. Precedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che l'alogenuro di un metallo alcalino che viene introdotto nel compartimento acido ? identico all'alogenuro di un metallo alcalino della soluzione introdotta nel compartimento salino.
- 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, caratterizzato dal fatto che l'alogenuro di un metallo alcalino viene introdotto nel compartimento acido in una quantit? regolata affinch? la soluzione acquosa estratta dal compartimento alcalino contenga sostanzialmente da 3 a 10 moli di un idrossido di un metallo alcalino per litro.
- 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che si regola,l'introduzione dell 'alogenuro di un metallo alcalino nel compartimento acido per ottenere, in questo, una soluzione acquosa di un acido alogenidrico contenente da 0,5 a 2 moli di un alogenuro di un metallo alcalino per litro.
- 7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino che viene introdotta nel compartimento acido ? costituita da una frazione almeno di una soluzione acquosa diluita di un alogenuro di un metallo alcalino che viene asportata dal compartimento salino.
- 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da '3 a 7, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino che viene introdotta nel compartimento acido ? costituita da acqua di mare.
- 9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa di un alogenuro di un metallo alcalino che viene introdotta nel compartimento salino ? una soluzione acquosa di cloruro di sodio e caratterizzato dal fatto che l'alogenuro di un metallo alcalino che viene introdotto nel compartimento acido ? costituito da cloruro di sodio.
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