JP4880865B2 - Process for simultaneous electrochemical production of sodium dithionite and sodium peroxodisulfate - Google Patents

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特に紙漂白及びパルプ漂白での塩素を使用しない種々の漂白プロセスには、現在、酸化及び還元漂白シークエンスを組み合わせた方法がますます多く用いられるようになっている。この場合、還元漂白剤としては、有利には、亜二チオン酸ナトリウムを、酸化漂白剤としては過酸化水素を使用する。また、電気化学的に製造可能なペルオキソジスルフェート若しくはペルオキソモノスルフェートを酸化漂白剤として使用することも提案されている(DE−PS19803001)。ペルオキソジスルフェートは、もっぱら電気化学的に製造する(J. Balej、H. Vogt:Electrochemical Reactors. In:Fortschritte der Verfahrenstechnik. Vol. 22、361頁、VDI Verlag 1984)。   In particular, various bleaching processes that do not use chlorine, particularly in paper bleaching and pulp bleaching, are increasingly using a combination of oxidizing and reducing bleaching sequences. In this case, sodium dithionite is advantageously used as the reducing bleach and hydrogen peroxide as the oxidizing bleach. It has also been proposed to use peroxodisulfate or peroxomonosulfate, which can be produced electrochemically, as oxidative bleach (DE-PS 19803001). Peroxodisulfate is produced exclusively electrochemically (J. Balej, H. Vogt: Electrochemical Reactors. In: Fortschritte der Verfahrenstechnik. Vol. 22, page 361, VDI Verlag 1984).

1つの電気化学的な組み合わせ方法によれば、ペルオキソ二硫酸ナトリウムは、硫酸ナトリウムから苛性ソーダと共に、セパレータとしてカチオン交換膜を備えた二室型セル中で製造することができる(EP0846194)。   According to one electrochemical combination method, sodium peroxodisulfate can be produced from sodium sulfate together with caustic soda in a two-chamber cell equipped with a cation exchange membrane as a separator (EP 084194).

ペルオキソ二硫酸ナトリウムと苛性ソーダとを化学量論的に調合したアルカリ溶液を漂白プロセス及び酸化プロセスのために使用することも、既に提案されている(DE−PS4430391)。   It has also been proposed to use an alkaline solution of sodium peroxodisulfate and caustic soda stoichiometrically for the bleaching and oxidation processes (DE-PS 4430391).

これに対して、繊維工業及び製紙工業で用いられる漂白剤としてだけでなく染色助剤及び印刷助剤としても使用される亜二チオン酸ナトリウムは、有利には、化学的な方法によって製造する(W. Bruekner、R. Schliebs、G. Winter、K.-H. Bueschel:Industrielle anorganische Chemie. Weinheim:Verlag Chemie 1986)。ジチオナイトは、亜鉛を使用するか、高圧反応でギ酸ナトリウムを使用するか又はテトラヒドロホウ酸ナトリウムを使用して二酸化硫黄を還元する技術により得られる。また、二酸化硫黄のカソード還元によってもジチオナイトが得られる。しかし、これまで、工業的な規模では、還元剤としてナトリウムアマルガムを使用する間接的な電解法しか行われていなかった(Ullmanns Encyclopedia Industrial Chemistry、Vol. A 25、483〜484頁、Weinheim 1994)。ところが、水銀塩の生態毒物学的な潜在危険性が理由で、この方法はもはや時代にかなっていない。   In contrast, sodium dithionite, which is used not only as a bleaching agent used in the textile and paper industries but also as a dyeing aid and printing aid, is advantageously produced by chemical methods ( W. Bruekner, R. Schliebs, G. Winter, K.-H. Bueschel: Industrielle anorganische Chemie. Weinheim: Verlag Chemie 1986). Dithionite is obtained by techniques of reducing sulfur dioxide using zinc, using sodium formate in a high pressure reaction, or using sodium tetrahydroborate. Dithionite can also be obtained by cathodic reduction of sulfur dioxide. However, until now, only an indirect electrolysis method using sodium amalgam as a reducing agent has been carried out on an industrial scale (Ullmanns Encyclopedia Industrial Chemistry, Vol. A 25, pages 483 to 484, Weinheim 1994). However, because of the ecotoxicological potential of mercury salts, this method is no longer epoch-making.

亜硫酸イオン若しくは亜硫酸水素イオンの直接的なカソード還元にはこれまで、工業的な意義が何らなかった。これは主に、電解時間が長くなるにつれ著しい収量損失が起こることが原因であり、それというのは、ジチオナイトがチオ硫酸イオン及び二亜硫酸イオンを生成して分解してしまうからである。この反応は、温度及びプロトン濃度が高いほど迅速に起こる。したがって、内部及び外部の冷却システムによって電解液温度を電気分解中20℃より低く保つか又はカソードの流動体積を減少させることによって、電極間隙でのジチオナイトの滞留時間を最小化することが提案されている(DE−PS2646825)。   Until now, direct cathodic reduction of sulfite ion or hydrogen sulfite ion has no industrial significance. This is mainly due to the significant yield loss that occurs as the electrolysis time increases because dithionite generates and decomposes thiosulfate and disulfite ions. This reaction occurs more rapidly at higher temperatures and proton concentrations. Therefore, it has been proposed to minimize the residence time of dithionite in the electrode gap by keeping the electrolyte temperature below 20 ° C. during electrolysis or reducing the cathode flow volume by internal and external cooling systems. (DE-PS2646825).

特許明細書(US−PS3920551)では、ジチオナイトの製造を塩素製造と組み合わせ、これにより、カソードプロセスとアノードプロセスとを利用する。今日利用されているイオン交換膜は高い選択性を有してはいるが、電解プロセス中に塩化物イオンがカーソードサイクルへ到達することを防ぐことはできない。多くの使用で塩化物不含のジチオナイトが必要とされるので、このことは問題である。   In the patent specification (US-PS 3920551), the production of dithionite is combined with chlorine production, thereby utilizing the cathode and anode processes. Although the ion exchange membranes utilized today are highly selective, they cannot prevent chloride ions from reaching the cathode cycle during the electrolysis process. This is a problem because many uses require chloride-free dithionite.

上記の要求に合うように、三室型セルを使用することが提案されている(US−PS3905879)。三室型セルは二室型セルと比べて、中央の室によって付加的な電圧損失が引き起されてしまう欠点がある。さらに、カチオン交換膜の他にアニオン交換膜も必要となり、このアニオン交換膜は比較的、酸化に対する耐性が低く、そのため、頻繁に膜の交換をしなくてはならない。これによってより高い運転コストが生じるということに加え、三室型セルの調達コストも、簡単に製作される二室型セルより明らかに高くなる。   In order to meet the above requirements, it has been proposed to use a three-chamber cell (US-PS 3905879). The three-chamber cell has a drawback that an additional voltage loss is caused by the central chamber as compared to the two-chamber cell. Furthermore, an anion exchange membrane is required in addition to the cation exchange membrane, and this anion exchange membrane has a relatively low resistance to oxidation, and therefore the membrane must be frequently exchanged. In addition to the higher operating costs associated with this, the procurement cost of a three-chamber cell is also clearly higher than a two-chamber cell that is easily manufactured.

本発明は、亜二チオン酸ナトリウム及びペルオキソ二硫酸ナトリウムを、電気化学的な方法で同時に経済的に製造することを課題とする。   The object of the present invention is to simultaneously and economically produce sodium dithionite and sodium peroxodisulfate by an electrochemical method.

この課題は、請求項1の特徴に記載されているように、組み合わされた電気分解法によって解決される。この方法では、アノードでペルオキソ二硫酸ナトリウム、カソードで亜二チオン酸ナトリウムを、平滑白金からなる若しくは白金又はダイアモンドによって被覆された弁金属であるニオブ、タンタル、チタン又はジルコニウムからなるアノードと、炭素、特殊鋼、銀、又は白金金属で被覆された材料からなるカソードとが設けられかつカチオン交換膜によって2つに分割された1つ又は複数の電気分解セル内で、1.5〜6kA/mの電流密度及び20〜60℃の温度で製造する。この場合、アノード室にわたり循環するアノード液に硫酸ナトリウム及び水を供給する。アノード側で放出されたナトリウムイオンは、カチオン交換膜を通ってカソード室に到達する。二酸化硫黄、水及び場合によっては亜硫酸水素ナトリウムを、カソード室にわたり循環するカソード液に供給することにより、pH値を4〜6の領域で調節する。 This problem is solved by a combined electrolysis method as described in the features of claim 1. In this method, sodium peroxodisulfate at the anode, sodium dithionite at the cathode, an anode of niobium, tantalum, titanium or zirconium which is a valve metal made of smooth platinum or coated with platinum or diamond, and carbon, 1.5-6 kA / m 2 in one or more electrolysis cells provided with a cathode made of a material coated with special steel, silver or platinum metal and divided in two by a cation exchange membrane At a current density of 20 to 60 ° C. In this case, sodium sulfate and water are supplied to the anolyte circulating through the anode chamber. Sodium ions released on the anode side reach the cathode chamber through the cation exchange membrane. The pH value is adjusted in the region of 4-6 by supplying sulfur dioxide, water and possibly sodium bisulfite to the catholyte circulating through the cathode chamber.

この場合、多くの工業的プロセスで不要生成物又は副生成物として生じる化学物質である硫酸ナトリウム及び二酸化硫黄、若しくは硫酸及び亜硫酸水素塩溶液から、重要な基本化学物質であるペルオキソ二硫酸ナトリウム及び亜二チオン酸ナトリウムを結晶の形態で製造することが可能となる。   In this case, important basic chemicals such as sodium peroxodisulfate and sulfite are obtained from sodium sulfate and sulfur dioxide, which are chemicals generated as unwanted or by-products in many industrial processes, or from sulfuric acid and bisulfite solutions. It becomes possible to produce sodium dithionate in the form of crystals.

ペルオキソ二硫酸ナトリウム又は亜二チオン酸ナトリウムの単独の電気化学的な製造とは異なり、2倍の電解電流を使用する。これによって、得られる製品の合計に関する比装置コストも、経常運転コスト及びこの場合特に、比電気エネルギー消費量も著しく低減する。   Unlike single electrochemical production of sodium peroxodisulfate or sodium dithionite, twice the electrolysis current is used. This significantly reduces the specific equipment costs for the total product obtained, as well as the normal operating costs and, in this case, in particular the specific electrical energy consumption.

また、アノードでの塩素発生を同時に伴うカソードでのジチオナイト製造の公知の電気化学的な組み合わせプロセスに比べ、塩化物によってジチオナイトが汚染されることはない。さらに、塩素分離と組み合わせた方法に比べて方法技術的な処理はより簡単になる。この場合、両電極プロセスの連結は、Naイオンがアノード室からカソード室へ移動することによって行われ、これは、主に起こる電極反応に関する簡単化された2つの式により明らかである。
アノード反応:2NaSO −2e → Na+Na
カソード反応:2SO +2Na+2e → Na
しかし、アノード反応によるNaの放出、カチオン交換膜を通るNaの移動及びカソード反応によるNaイオンの消費は、全く異なる影響量に依存するので、ナトリウム収支は、物質流を両電極液溶液に配量添加することよってバランスしなければならない。
Also, dithionite is not contaminated by chloride as compared to the known electrochemical combinatorial process of producing dithionite at the cathode with simultaneous chlorine generation at the anode. In addition, the process is simpler than the process combined with chlorine separation. In this case, the coupling of the two electrode processes takes place by Na + ions moving from the anode chamber to the cathode chamber, which is evident by two simplified equations relating to the electrode reactions that take place mainly.
Anode reaction: 2Na 2 SO 4 -2e → Na 2 S 2 O 8 + Na +
Cathode reaction: 2SO 2 + 2Na + + 2e → Na 2 S 2 O 4
However, release of Na + by the anode reaction, the consumption of Na + ions by moving and cathode reactions of Na + through the cation exchange membrane is dependent on completely different influence quantities, sodium balance, the material flow both electrodes solution solution It must be balanced by metering in.

ジチオナイト生成の電流効率がナトリウムイオンの移動よりも大きい場合には、あらかじめ選択されたpH値を維持してもアノード液のナトリウムイオンが減少し、ジチオナイト生成の電流効率は低下する。この場合、亜硫酸ナトリウム若しくは亜硫酸水素ナトリウム又は苛性ソーダをカソード液サイクルに付加的に配量添加することによって、必要なナトリウムイオンの全濃度が調節可能となる。   If the current efficiency of dithionite generation is greater than the movement of sodium ions, the sodium ions in the anolyte will decrease and the current efficiency of dithionite generation will decrease even if a preselected pH value is maintained. In this case, the total concentration of the required sodium ions can be adjusted by additionally metering sodium sulfite or sodium hydrogen sulfite or sodium hydroxide into the catholyte cycle.

驚くべきことに、触媒中で維持すべき4〜6のpH値を高SO濃度で実現すると、電極液温度が高い場合にもジチオナイトイオンの酸触媒分解反応を十分に抑制できることが分った。 Surprisingly, it has been found that when a pH value of 4 to 6 to be maintained in the catalyst is realized at a high SO 2 concentration, the acid-catalyzed decomposition reaction of dithionite ions can be sufficiently suppressed even when the electrode solution temperature is high. It was.

したがって、電気分解中に二酸化硫黄を導入することによって、例えばガス分散カソードを用いて、インテンシブガス放射器(Intensivgasstrahler)によって又は液体二酸化硫黄を添加することによって、カソード液の二酸化硫黄の減少を防ぐことができる。   Therefore, preventing the reduction of catholyte sulfur dioxide by introducing sulfur dioxide during electrolysis, eg by using a gas-dispersed cathode, by an intensive gas radiator or by adding liquid sulfur dioxide Can do.

これらの条件が守られれば、生成したジチオナイトイオンの著しい分解及びひいては電流効率の低下を起こさずに、50℃までの温度でも電気分解を行うことができる。   If these conditions are observed, electrolysis can be performed even at temperatures up to 50 ° C. without causing significant decomposition of the generated dithionite ions and, consequently, a decrease in current efficiency.

有利には、生成した亜二チオン酸ナトリウムのカソード液サイクルでの平均滞留時間を30分より短くするのが望ましい。このことは、カソードサイクル全体中で循環するカソード液量を最小化することによって可能となる。   Advantageously, it is desirable that the average residence time of the produced sodium dithionite in the catholyte cycle is less than 30 minutes. This is made possible by minimizing the amount of catholyte circulating throughout the cathode cycle.

電極表面からの及び電極表面への最適な物質輸送を実現するためには、カソードに沿ったカソード液の相対速度は、少なくとも0.1m/s、可能であれば0.3〜0.5m/sであるのが望ましい。アノードでのペルオキソジスルフェートの形成のためにも同様な流動速度及び滞留時間が有利であるので、両電極液循環システムがほぼシンメトリーな構造をなすという利点が得られ、両電極室中での、カチオン交換膜の間での圧力差がごく僅かであるほぼ同じ圧力形成に結びつく。   To achieve optimal mass transport from and to the electrode surface, the relative velocity of the catholyte along the cathode is at least 0.1 m / s, preferably 0.3-0.5 m / It is desirable that s. The same flow rate and residence time are also advantageous for the formation of peroxodisulfate at the anode, which gives the advantage that both electrolyte circulation systems have a nearly symmetrical structure, in both electrode chambers. The pressure difference between the cation exchange membranes is almost the same, resulting in almost the same pressure formation.

二酸化硫黄がガス状で得られない又は液体の二酸化硫黄の使用が望まれない若しくは不能である場所では、現場で、亜硫酸水素ナトリウム又は亜硫酸ナトリウムを硫酸と反応させることによって前置された化学反応器中で両出発物質をインサイトゥで得ることができる。
Na+HSO → NaSO+2SO+H
NaSO +HSO → NaSO +SO+H
このためには、工業的に利用可能な亜硫酸水素塩溶液も使用することができる。アノード液中に直接的に供給することができるように、生成された硫酸ナトリウム溶液中の二酸化硫黄の残留量を、水蒸気を用いたストリッピングによってできるだけ少なく保つと有利である。
Chemical reactors pre-installed by reacting sodium bisulfite or sodium sulfite with sulfuric acid in situ where sulfur dioxide is not obtained in gaseous form or where the use of liquid sulfur dioxide is not desired or impossible In both starting materials can be obtained in situ.
Na 2 S 2 O 5 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + 2SO 2 + H 2 O
Na 2 SO 3 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + SO 2 + H 2 O
For this purpose, industrially available bisulfite solutions can also be used. It is advantageous to keep the residual amount of sulfur dioxide in the resulting sodium sulfate solution as low as possible by stripping with water vapor so that it can be fed directly into the anolyte.

亜硫酸塩溶液を使用する場合、全プロセスのために必要な硫酸ナトリウムの量の約半分しか生成しないが、もう半分は、固体の形態で添加することができる。これにより、電気分解中に後溶解することよって硫酸ナトリウムの消費が補償され、ペルオキソジスルフェート生成の高い電流効率のために必要な高い硫酸塩濃度を維持することができるという利点が得られる。   When using a sulfite solution, only about half of the amount of sodium sulfate required for the entire process is produced, while the other half can be added in solid form. This provides the advantage that the post-dissolution during electrolysis compensates for the consumption of sodium sulfate and maintains the high sulfate concentration required for high current efficiency of peroxodisulfate formation.

平滑白金からなるアノードでのペルオキソジスルフェートのアノード生成では、最適な電流効率は4〜7kA/m2の高い電流密度で得られるが、その一方、ジチオナイト製造ではより低い電流密度が有利である。電気化学的に作用するカソード表面とアノードで作用する白金表面との比を1:1〜4に調節することによって、両反応のための有利な条件に合わせることが可能となる。このためには、白金表面の一部を例えばタンタルからなるマスクによってカバーするか、又はアノード表面積がより小さくなってもできるだけ均一な電流密度分布が得られるように網状電極又はストリップ電極(Streifenelektroden)の形態で白金表面を分割することができる。   For anode production of peroxodisulfate with an anode made of smooth platinum, optimum current efficiency is obtained with a high current density of 4-7 kA / m 2, while lower current density is advantageous for dithionite production. By adjusting the ratio of the electrochemically acting cathode surface to the platinum acting platinum surface at 1: 1 to 4, it is possible to meet the advantageous conditions for both reactions. For this purpose, a part of the platinum surface is covered with a mask made of, for example, tantalum, or a mesh electrode or strip electrode (Streifenelektroden) is used so as to obtain a current density distribution as uniform as possible even with a smaller anode surface area The platinum surface can be divided in form.

この方法は、特に、カソード室及びカチオン交換膜中の電流密度が、アノード及びこれに隣接するアノード室の電流密度よりも小さくなるという利点を有しており、これにより、アノードの所要電流密度が高いにもかかわらず、電圧降下及びひいては比電気エネルギー消費量が著しく減少する。   This method has the advantage that, in particular, the current density in the cathode chamber and the cation exchange membrane is smaller than the current density in the anode and the anode chamber adjacent thereto, so that the required current density of the anode is reduced. Despite being high, the voltage drop and thus the specific electrical energy consumption is significantly reduced.

ペルオキソジスルフェート生成の最大の電流効率を得るためには、ポテンシャルを高める添加剤、特にチオシアン酸ナトリウムをアノード液に加えることが必要である。しかし、例えばナトリウムシアナミド、チオ尿素、フッ化物、塩化物などのような別の公知の電気分解添加物も、有利には、この組み合わせ方法で使用可能である。   In order to obtain the maximum current efficiency of peroxodisulfate formation, it is necessary to add an additive that increases the potential, in particular sodium thiocyanate, to the anolyte. However, other known electrolysis additives such as, for example, sodium cyanamide, thiourea, fluoride, chloride, etc. can also be used advantageously in this combination method.

カソード液にも、ジチオナイトの安定化のために若しくは所望のpH値を維持するために、例えばリン酸及び/又はリン酸塩のような適当な添加物を使用することができる。   In the catholyte, suitable additives such as phosphoric acid and / or phosphate can be used for the stabilization of dithionite or to maintain the desired pH value.

公知の方法で、亜硫酸塩若しくは硫酸ナトリウム及び硫酸をさらに含有している得られた亜二チオン酸ナトリウム及びペルオキソ二硫酸ナトリウムの水溶液を加工して、結晶性の固体の最終生成物に加工することもでき、この場合、結晶化プロセスから得られた母液を電解液サイクルに戻すこともできる。   Processing the resulting aqueous solution of sodium dithionite and sodium peroxodisulfate, further containing sulfite or sodium sulfate and sulfuric acid, in a known manner, into a crystalline solid end product. In this case, the mother liquor obtained from the crystallization process can also be returned to the electrolyte cycle.

しかし、多くの場合、直接的に若しくは亜硫酸水素塩及び/又は硫酸ナトリウムの晶出を行った後に、得られた溶液を還元及び酸化漂白剤として使用すると有利である。   However, in many cases it is advantageous to use the resulting solution as a reducing and oxidative bleach, either directly or after crystallization of bisulfite and / or sodium sulfate.

特に、例えばパルプ漂白での酸化及び還元漂白シークエンスのための、両方の電気分解生成物を組み合わせた使用が有利である。この時に再生成した硫酸ナトリウムを分離して、組み合わせた電気分解プロセスに再び戻すことができる。   In particular, the combined use of both electrolysis products is advantageous, for example for oxidative and reductive bleaching sequences in pulp bleaching. At this time, the regenerated sodium sulfate can be separated and returned to the combined electrolysis process.

実施例1:
図1に、二酸化硫黄及び硫酸ナトリウムを亜硫酸水素塩溶液からインサイトゥで製造するための前反応器を備えた電気分解装置を例示したフローチャートを示す。前反応器1には2で硫酸、3で亜硫酸水素塩溶液を、一方ではプロセス中に消費される二酸化硫黄量が生成され、他方では存在するナトリウムが反応してほぼ完全に硫酸ナトリウムになるような量の比で配量添加する。反応器の下部で得られるほぼ濃縮された硫酸ナトリウム溶液は4でアノード液サイクルに、反応器の上部で流出する二酸化硫黄は5でカソード液サイクルに供給する。
Example 1:
FIG. 1 shows a flow chart illustrating an electrolyzer equipped with a pre-reactor for producing sulfur dioxide and sodium sulfate in situ from a bisulfite solution. Prereactor 1 produces sulfuric acid at 2 and bisulfite solution at 3 and, on the one hand, the amount of sulfur dioxide consumed during the process, on the other hand so that the sodium present reacts to become almost completely sodium sulfate. Dosage at a proper ratio. The nearly concentrated sodium sulfate solution obtained at the bottom of the reactor is fed to the anolyte cycle at 4 and the sulfur dioxide exiting at the top of the reactor is fed to the catholyte cycle at 5.

カソード液は、循環ポンプ6によって、電解セル8のカソード室7及びガス分離器9を通してサイクルに案内する。10で、所望の最終濃度を得るために必要な水量をカソード液サイクルに配量添加する。11では分離されたアノードガスが流出し、12では供給された液体量に対応するカソード液量が、亜二チオン酸ナトリウムの濃度が増加した状態でオーバーフローする。カソード室は、カチオン交換膜13によってアノード室14と分離されている。アノード液は、循環ポンプ15によって、アノード室及びガス分離器16並びに溶解容器17を介してポンプ循環する。この溶解容器内には、アノード液を飽和するために結晶性の硫酸ナトリウムを18で添加する。19では、ポテンシャルを向上させる電気分解添加剤を配量添加し、20では、分離されたアノードガスが流出する。生成されたペルオキソ二硫酸ナトリウム溶液は、溶解容器の上流21から流出する。   The catholyte is guided to the cycle by the circulation pump 6 through the cathode chamber 7 of the electrolysis cell 8 and the gas separator 9. At 10, meter the amount of water required to obtain the desired final concentration into the catholyte cycle. In 11, the separated anode gas flows out, and in 12, the amount of catholyte corresponding to the amount of liquid supplied overflows with the concentration of sodium dithionite increased. The cathode chamber is separated from the anode chamber 14 by a cation exchange membrane 13. The anolyte is circulated by the circulation pump 15 through the anode chamber and the gas separator 16 and the dissolution vessel 17. In this dissolution vessel, crystalline sodium sulfate is added at 18 to saturate the anolyte. In 19, an electrolysis additive that improves the potential is metered in, and in 20, the separated anode gas flows out. The produced sodium peroxodisulfate solution flows out from upstream 21 of the dissolution vessel.

実施例2
実施例1を変化させた、前反応器が設けられていない小規模工業的な実験装置では、アノード液及びカソード液が循環ポンプによって、電解セルの電極室及びガス分離器を通してサイクル中をポンプ循環する。さらに、アノード液サイクルには、図1に示す硫酸ナトリウムのための溶解容器が組込まれている。アノード液サイクルには、定量ポンプによって、チオシアン酸ナトリウムの添加剤(ポテンシャルを高めるための添加剤として)を含む脱イオン水を配量添加する。さらに、溶解容器に、水不含の固体の硫酸ナトリウムを配量添加する。カソード液サイクルには、ガス状の二酸化硫黄をガスボンベから、亜硫酸ナトリウム溶液を定量ポンプにより供給する。亜硫酸ナトリウムは、ナトリウム化合物の、アノード室からカソード室へのナトリウムイオンの移動がより少ないことによって生じる欠点を補償するために使用する。二酸化硫黄の配量添加によって、pH値をほぼ5.8に調節する。これにより、供給されたSO量が、ナトリウムイオンの移動量に最適に適合することができる。
Example 2
In a small-scale industrial experimental apparatus in which Example 1 is changed and no pre-reactor is provided, the anolyte and catholyte are pumped through the cycle through the electrode chamber and gas separator of the electrolysis cell by a circulation pump. To do. In addition, the anolyte cycle incorporates a dissolution vessel for sodium sulfate as shown in FIG. The anolyte cycle is metered with deionized water containing sodium thiocyanate additive (as an additive to increase potential) by a metering pump. Further, water-free solid sodium sulfate is metered into the dissolution vessel. In the catholyte cycle, gaseous sulfur dioxide is supplied from a gas cylinder and a sodium sulfite solution is supplied by a metering pump. Sodium sulfite is used to compensate for the disadvantages of sodium compounds caused by less migration of sodium ions from the anode chamber to the cathode chamber. The pH value is adjusted to approximately 5.8 by the addition of sulfur dioxide. Thereby, the supplied amount of SO 2 can be optimally adapted to the amount of movement of sodium ions.

電解セルとしては、双極フィルタープレス電解セル(bipolare Filterpressenelektrolysezelle)をペルオキソジスルフェートの製造のために、DE4419683に記載されているように使用する。この電解セルは、緊締フレームに設けられた3つの電極プレートと、電流供給部を備えた2つの縁部プレートと、中間の双極電極プレートとからなる。これにより、電気的に直列に接続されかつ電解液の流れに関して平行に接続された2つの電解セルが形成される。電極プレートは、組込まれた冷却通路と電解液溶液及び冷却水のために取り付けられた出入り口とが設けられた含浸処理されたグラファイトからなっている。アノードでは、PVCからなる絶縁プレートとEPDMからなりかつ約3mmの厚さのガスケットとが設けられている。この絶縁プレート上には、横方向に設けられた白金フィルムストリップがアノードとして配置されており、この白金フィルムストリップは、側方でガスケットの下側でグラファイトの基体と接触している。両電極室は、型番Nafion450(DuPont)のカチオン交換膜によって分離されている。カソード室は、平行に貫流された通路(4mm深さ)の形態で基体に取り付けられている。セルが2000mmの高さであるので、アノード室及びカソード室の貫流横断面は、約1.5cmと極めて小さく保つことができ、これによって、両電極に沿った大きな流動速度を得ることができる。カソードサイクル中の液体体積は最小化され、これにより、できるだけ短い滞留時間を実現することができる。 As electrolysis cell, a bipolar filter press electrolysis cell is used as described in DE 4419683 for the production of peroxodisulfate. This electrolysis cell is composed of three electrode plates provided on a tightening frame, two edge plates provided with a current supply unit, and an intermediate bipolar electrode plate. This forms two electrolysis cells that are electrically connected in series and connected in parallel with respect to the electrolyte flow. The electrode plate is made of impregnated graphite provided with a built-in cooling passage and an inlet / outlet attached for electrolyte solution and cooling water. In the anode, an insulating plate made of PVC and a gasket made of EPDM and having a thickness of about 3 mm are provided. On this insulating plate, a laterally provided platinum film strip is arranged as an anode, which is in lateral contact with the graphite substrate on the underside of the gasket. Both electrode chambers are separated by a cation exchange membrane of model number Nafion450 (DuPont). The cathode chamber is attached to the substrate in the form of a flow-through (4 mm depth) flowed in parallel. Since the cell is 2000 mm high, the cross-sectional cross section of the anode and cathode chambers can be kept very small, about 1.5 cm 2 , thereby obtaining a high flow velocity along both electrodes. . The liquid volume during the cathode cycle is minimized, so that the shortest possible residence time can be achieved.

用いられた主な技術的データは以下の通りである:
アノード面積(白金): 電極プレート1つあたり300cm、計600cm
カソード面積(グラファイト): 電極プレート1つあたり1200cm、計2400cm
電流強さ: 2×150A=300A電流容量
電流密度: アノード0.5A/cm、カソード0.12A/cm
カソード液サイクルの体積: 2.5l
アノード液サイクルの体積(溶解容器も含む): 6.5l
循環量 アノード液=カソード液: 400l/h
電極表面に沿った速度: 約0.4m/s
1時間当たりの循環回数: カソード液160、アノード液61.5
配量された量は以下の通りである:
カソード液: 95g/lのNaSOの溶液4.6l/h
ガス流入: SO約680g/h(時間的な平均)
アノード液: 0.15g/lのNaSCNを含む水3.6l/h
溶解容器: NaSO2000g/h
カソードの冷却は、循環するカソード液の温度が約35℃でありかつアノード液の温度が約48℃に調節されるように調節した。セル電圧は、5.5V(全電圧11V)であった。
The main technical data used are as follows:
Anode area (platinum) electrode plates one per 300 cm 2, a total of 600 cm 2
The cathode area (Graphite): electrode plates one per 1200 cm 2, a total of 2400 cm 2
Current intensity: 2 × 150 A = 300 A Current capacity Current density: Anode 0.5 A / cm 2 , Cathode 0.12 A / cm 2
Catholyte cycle volume: 2.5 l
Anolyte cycle volume (including dissolution vessel): 6.5 l
Circulation amount Anolyte = Catholyte: 400 l / h
Speed along the electrode surface: about 0.4 m / s
Number of circulations per hour: catholyte 160, anolyte 61.5
The quantities dispensed are as follows:
Catholyte: solution of 95 g / l Na 2 SO 3 4.6 l / h
Gas inflow: SO 2 approx. 680 g / h (temporal average)
Anolyte: 3.6 l / h water containing 0.15 g / l NaSCN
Dissolution container: Na 2 SO 4 2000 g / h
The cooling of the cathode was adjusted so that the temperature of the circulating catholyte was about 35 ° C. and the temperature of the anolyte was adjusted to about 48 ° C. The cell voltage was 5.5V (total voltage 11V).

約6時間の慣らし時間後、より安定な運転状態が得られ、さらにその後、安定して、前述のオーバーフローに関する組成を有する下に示す電極液量が、電極液サイクルで循環する。   After a break-in time of about 6 hours, a more stable operating state is obtained, and thereafter, the amount of electrode solution shown below having a composition relating to the above-mentioned overflow is circulated in the electrode solution cycle.

アノード液:4.1l/h(Na229g/l+NaSO215g/l+HSO8g/l)
アノード液サイクルでは、平均滞留時間は約95分であった。ペルオキソ二硫酸ナトリウムの全収量は、939g/hであり、これは電流効率70.5%に相当する。
Anolyte: 4.1 l / h (Na 2 S 2 O 8 229 g / l + Na 2 SO 4 215 g / l + H 2 SO 4 8 g / l)
In the anolyte cycle, the average residence time was about 95 minutes. The total yield of sodium peroxodisulfate is 939 g / h, which corresponds to a current efficiency of 70.5%.

カソード液:
5.4l/h、以下の組成を含む:
142g/lNa、NaHSO約70g/l、NaSO約20g/l、Na約10g/l
カソード液サイクルでは、平均滞留時間は約28分であった。亜二チオン酸ナトリウムの全収量は、767g/hであり、これは電流効率78.7%に相当する。
Catholyte:
5.4 l / h, including the following composition:
142 g / l Na 2 S 2 O 8 , Na 2 HSO 3 approximately 70 g / l, Na 2 SO 3 approximately 20 g / l, Na 2 S 2 O 3 approximately 10 g / l
In the catholyte cycle, the average residence time was about 28 minutes. The total yield of sodium dithionite is 767 g / h, which corresponds to a current efficiency of 78.7%.

二酸化硫黄及び硫酸ナトリウムを苛性亜硫酸水素塩からインサイトゥで製造するための前反応器を備えた電気分解装置を例示したフローチャートFlow chart illustrating an electrolyzer with a pre-reactor for producing sulfur dioxide and sodium sulfate in situ from caustic bisulfite.

Claims (12)

ペルオキソ二硫酸ナトリウムと亜二チオン酸ナトリウムとを同時に製造するための方法において、
カチオン交換膜によって2つに分割された電解セル中で、1.5〜6kA/m2の電流密度及び20〜60℃の温度で水溶液中で、アノードでは、硫酸ナトリウムを酸化してペルオキソ二硫酸ナトリウムにし、カソードでは、アノードで放出されかつカチオン交換膜を通って移動したナトリウムイオンと供給されたSO2とからpH値4〜6で亜二チオン酸ナトリウムを製造することを特徴とする、ペルオキソ二硫酸ナトリウムと亜二チオン酸ナトリウムとを同時に製造するための方法。
In a method for simultaneously producing sodium peroxodisulfate and sodium dithionite,
In an electrolytic cell divided in two by a cation exchange membrane, in the aqueous solution at a current density of 1.5-6 kA / m 2 and a temperature of 20-60 ° C., at the anode, sodium sulfate is oxidized to peroxodisulfuric acid. Peroxo, characterized in that sodium dithionite is produced at a pH value of 4-6 from sodium ions released at the anode and transferred through the cation exchange membrane and supplied SO 2 at the cathode. A method for simultaneously producing sodium disulfate and sodium dithionite.
循環するアノード液にNa2SO4及び水を、循環するカソード液にSO2及び水を供給する、請求項1記載の方法。The method according to claim 1, wherein Na 2 SO 4 and water are supplied to the circulating anolyte, and SO 2 and water are supplied to the circulating catholyte. 二酸化硫黄及び硫酸ナトリウムを、前反応器内で、亜硫酸ナトリウム又は亜硫酸水素ナトリウム及び硫酸から製造する、請求項1記載の方法。  The process according to claim 1, wherein sulfur dioxide and sodium sulfate are produced from sodium sulfite or sodium hydrogen sulfite and sulfuric acid in a pre-reactor. 平滑白金からなる又は白金又はダイアモンドで被覆された弁金属のニオブ、タンタル、チタン又はジルコニウムからなるアノードと、炭素、特殊鋼、銀からなる又は白金金属で被覆された材料からなるカソードとを使用する、請求項1記載の方法。  Use a valve metal niobium, tantalum, titanium or zirconium anode made of smooth platinum or coated with platinum or diamond and a cathode made of carbon, special steel, silver or a material coated with platinum metal The method of claim 1. 平滑白金からなるアノードを使用し、カソード面積のアノード面積に対する比を1〜4に調節する、請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。  The method according to any one of claims 1 to 4, wherein an anode made of smooth platinum is used, and the ratio of the cathode area to the anode area is adjusted to 1 to 4. 電極に沿った流動速度が、少なくとも0.1m/sである、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。  6. A method according to any one of claims 1 to 5, wherein the flow velocity along the electrode is at least 0.1 m / s. 生成された亜二チオン酸ナトリウムの、カソード液サイクル中の平均滞留時間を、最長30分に調節する、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。  7. A process as claimed in any one of claims 1 to 6, wherein the produced sodium dithionite has an average residence time in the catholyte cycle of up to 30 minutes. チオシアン酸ナトリウム、ナトリウムシアナミド、チオ尿素、フッ化物及び塩化物から選択される1つ以上のポテンシャルを高める添加剤を、アノード液中に存在させる、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。 8. One or more potential enhancing additives selected from sodium thiocyanate, sodium cyanamide, thiourea, fluoride and chloride are present in the anolyte according to any one of claims 1-7. Method. リン酸及び/又はリン酸塩の安定剤をカソード液中に存在させる、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。The presence of a stabilizer of phosphoric acid and / or phosphate in the catholyte, any one process of claim 1 to 8. ペルオキソ二硫酸ナトリウムを含有する循環させたアノード液を、結晶性のペルオキソ二硫酸ナトリウムを得るために後処理する、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。Peroxodisulfate anolyte was circulated containing sodium sulphate is worked up in order to obtain crystalline sodium peroxodisulfate, any one process of claim 1 to 9. 亜二チオン酸ナトリウムを含有する循環させたカソード液を、結晶性の亜二チオン酸ナトリウムを得るために後処理する、請求項1から10までのいずれか1項記載の方法。11. A method according to any one of claims 1 to 10 , wherein the circulated catholyte containing sodium dithionite is post-treated to obtain crystalline sodium dithionite. 循環させたアノード液溶液及びカソード液溶液を、酸化若しくは還元漂白溶液として直接的に使用する、請求項1からまでのいずれか1項記載の方法。Circulating the anolyte solution and catholyte solution was directly used as an oxidation or reduction bleaching solution, any one process of claim 1 to 9.
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