RU2375500C2 - Method of producing hydrogen peroxide and chlorate - Google Patents

Method of producing hydrogen peroxide and chlorate Download PDF

Info

Publication number
RU2375500C2
RU2375500C2 RU2008103350/15A RU2008103350A RU2375500C2 RU 2375500 C2 RU2375500 C2 RU 2375500C2 RU 2008103350/15 A RU2008103350/15 A RU 2008103350/15A RU 2008103350 A RU2008103350 A RU 2008103350A RU 2375500 C2 RU2375500 C2 RU 2375500C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
organic
mediator
cathode
anode
hydrogen peroxide
Prior art date
Application number
RU2008103350/15A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008103350A (en
Inventor
Магнус РОСВАЛЛЬ (SE)
Магнус РОСВАЛЛЬ
Рольф ЭДВИНССОН-АЛЬБЕРС (SE)
Рольф ЭДВИНССОН-АЛЬБЕРС
Original Assignee
Акцо Нобель Н.В.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акцо Нобель Н.В. filed Critical Акцо Нобель Н.В.
Publication of RU2008103350A publication Critical patent/RU2008103350A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2375500C2 publication Critical patent/RU2375500C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C25B1/24Halogens or compounds thereof
    • C25B1/26Chlorine; Compounds thereof
    • C25B1/265Chlorates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C25B1/28Per-compounds
    • C25B1/30Peroxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Cosmetics (AREA)
  • Saccharide Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry. ^ SUBSTANCE: invention relates to a method of producing chlorate of alkali metal, involving: provision for an electrochemical cell, which has an anode and a cathode in separate anode and cathode chambers; bringing the cathode into contact with electrolyte, containing at least one organic mediator and one or more organic or inorganic acids; reacting the organic mediator on the cathode with formation of at least one reduced form of this mediator; reacting said at least one reduced form of mediator with oxygen with formation of hydrogen peroxide; bringing the anode into contact with the anolyte, which contains chloride of alkali metal; reacting chloride on the anode with formation of chlorine, which is hydrolysed; and reacting the hydrolysed chlorine with formation of chlorate. ^ EFFECT: increased efficiency of producing chlorate of alkali metal. ^ 19 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Настоящее изобретение относится к способу производства хлората щелочного металла в диафрагменной электрохимической ячейке.The present invention relates to a method for the production of alkali metal chlorate in a diaphragm electrochemical cell.

Хлорат щелочного металла и особенно хлорат натрия является важным химическим реагентом, особенно в целлюлозно-бумажной промышленности в качестве сырья для производства диоксида хлора, широко используемого при отбеливании. Традиционно хлорат щелочного металла производят электролизом хлоридов щелочных металлов в открытых бездиафрагменных электролитических ячейках, оснащенных катодами выделения водорода. Общая химическая реакция, протекающая в таких ячейках, следующая:Alkali metal chlorate and especially sodium chlorate is an important chemical reagent, especially in the pulp and paper industry as a raw material for the production of chlorine dioxide, which is widely used in bleaching. Traditionally, alkali metal chlorate is produced by electrolysis of alkali metal chlorides in open diaphragm-free electrolytic cells equipped with hydrogen evolution cathodes. The general chemical reaction taking place in such cells is as follows:

MCl + 3H2O → MClO3 + 3H2,MCl + 3H 2 O → MClO 3 + 3H 2 ,

где М - щелочной металл.where M is an alkali metal.

Этот способ очень эффективен, хотя выделяющийся на катоде газообразный водород создает некоторое перенапряжение, увеличивающее энергопотребление.This method is very effective, although hydrogen gas released at the cathode creates some overvoltage, which increases energy consumption.

Пероксид водорода также широко используется в целлюлозно-бумажной промышленности, и его обычно производят антрахиноновым способом с чередующимся гидрированием и окислением антрахинонов и/или тетрагидроантрахинонов в рабочем растворе. Этот способ, хотя и является очень эффективным, сложен в эксплуатации и требует разнообразного оборудования. До сих пор не было предложено альтернативных конкурентоспособных способов, за исключением относящихся к очень специальным случаям.Hydrogen peroxide is also widely used in the pulp and paper industry and is usually produced by the anthraquinone method with alternating hydrogenation and oxidation of anthraquinones and / or tetrahydroantraquinones in a working solution. This method, although it is very effective, is difficult to operate and requires a variety of equipment. To date, no alternative competitive methods have been proposed, except in very special cases.

В WO 2004/005583 описывается производство хлората щелочного металла в электролитической ячейке, разделенной катионселективным сепаратором на анодную камеру, в которой находится анод, и катодную камеру, в которой находится газодиффузионный электрод. Кислород подают в катодную камеру и подвергают электролизу с образованием гидроксида щелочного металла.WO 2004/005583 describes the production of an alkali metal chlorate in an electrolytic cell divided by a cation-selective separator into an anode chamber in which an anode is located and a cathode chamber in which a gas diffusion electrode is located. Oxygen is supplied to the cathode chamber and subjected to electrolysis to form an alkali metal hydroxide.

Электрохимическое производство щелочного раствора пероксида водорода путем восстановления кислорода на катоде описывается, например, в US 6322690.The electrochemical production of an alkaline hydrogen peroxide solution by reducing oxygen at the cathode is described, for example, in US 6322690.

Электрохимическое производство щелочного раствора пероксида водорода путем восстановления кислорода на катоде с одновременным получением хлората натрия описывается в работе E.E. Kalu и C. Oloman «Одновременный электросинтез щелочного пероксида водорода и хлората натрия» ("Simultaneous electrosynthesis of alkaline hydrogen peroxide and sodium chlorate"), Journal of Applied Electrochemistry, 20 (1990), 932-940.The electrochemical production of an alkaline solution of hydrogen peroxide by reducing oxygen at the cathode while producing sodium chlorate is described in E.E. Kalu and C. Oloman, Simultaneous Electrosynthesis of Alkaline Hydrogen Peroxide and Sodium Chlorate, Simultaneous Electrosynthesis of Alkaline Hydrogen Peroxide and Sodium Chlorate, Journal of Applied Electrochemistry, 20 (1990), 932-940.

E.L. Gyenge и C.W. Oloman в работах «Электросинтез пероксида водорода в кислых растворах путем опосредованного восстановления кислорода в трехфазной (водной/органической/газовой) системе, Часть I: Структура эмульсии, кинетика электродных процессов и периодический электролиз» ("Electrosynthesis of hydrogen peroxide in acidic solutions by mediated oxygen reduction in a three-phase (aqueous/organic/gaseous) system Part I: Emulsion structure, electrode kinetics and batch electrolysis"), Journal of Applied Electrochemistry, (2003), 33(8), 655-663; и «Электросинтез пероксида водорода в кислых растворах путем опосредованного восстановления кислорода в трехфазной (водной/органической/газовой) системе, Часть II: Эксперименты в проточных электрохимических ячейках с неподвижным слоем и трехфазным потоком» ("Electrosynthesis of hydrogen peroxide in acidic solutions by mediated oxygen reduction in a three-phase (aqueous/organic/gaseous) system. Part II: Experiments in flow-by fixed-bed electrochemical cells with three-phase flow"), Journal of Applied Electrochemistry, (2003), 33(8), 665-674, описывают производство пероксида водорода путем электролитического восстановления 2-этил-9,10-антрахинона до соответствующего антрагидрохинона, растворенного в органической фазе, эмульгированной в воде. Этот антрагидрохинон подвергается реакции с газообразным кислородом с получением пероксида водорода.E.L. Gyenge and C.W. Oloman in “Electrosynthesis of hydrogen peroxide in acidic solutions by mediated oxygen”, Part I: The structure of the emulsion, the kinetics of electrode processes and periodic electrolysis reduction in a three-phase (aqueous / organic / gaseous) system Part I: Emulsion structure, electrode kinetics and batch electrolysis "), Journal of Applied Electrochemistry, (2003), 33 (8), 655-663; and “Electrosynthesis of hydrogen peroxide in acidic solutions by mediated oxygen” and “Electrosynthesis of hydrogen peroxide in acidic solutions by mediated oxygen”. reduction in a three-phase (aqueous / organic / gaseous) system. Part II: Experiments in flow-by fixed-bed electrochemical cells with three-phase flow "), Journal of Applied Electrochemistry, (2003), 33 (8), 665-674, describe the production of hydrogen peroxide by electrolytic reduction of 2-ethyl-9,10-anthraquinone to the corresponding anthrahydroquinone dissolved in an organic phase emulsified in water. This anthrahydroquinone is reacted with gaseous oxygen to produce hydrogen peroxide.

В JP 61-284591 и US 4067787 описано производство пероксида водорода путем восстановления водорастворимого производного антрахинона в водном растворе с последующей реакцией с кислородом.JP 61-284591 and US 4067787 describe the production of hydrogen peroxide by reducing a water-soluble derivative of anthraquinone in an aqueous solution, followed by reaction with oxygen.

A. Huissoud и P. Tissot в работе «Электрохимическое восстановление 2-этил-9,10-антрахинона на сетчатом стекловидном углероде и опосредованное образование пероксида водорода» ("Electrochemical reduction of 2-ethyl-9,10-anthraquinone on reticulated vitreous carbon and mediated formation of hydrogen peroxide"), Journal of Applied Electrochemistry (1998), 28(6), 653-657, описывают электрохимическое восстановление 2-этил-9,10-антрахинона в диметоксиэтане, содержащем 5% воды и 0,1 моль/литр тетрафторбората тетраэтиламмония.A. Huissoud and P. Tissot in "Electrochemical reduction of 2-ethyl-9,10-anthraquinone on reticulated vitreous carbon and mediated formation of hydrogen peroxide "), Journal of Applied Electrochemistry (1998), 28 (6), 653-657, describe the electrochemical reduction of 2-ethyl-9,10-anthraquinone in dimethoxyethane containing 5% water and 0.1 mol / liter of tetrafluoroborate tetraethylammonium.

Электрохимическое восстановление кислорода на углеродном катоде с привитым антрахиноном описано, например, в WO 02/02846, Mirkhalaf, Fakhradin; Tammeveski, Kaido; Schiffrin, David J., «Влияния заместителей на электрокаталитическое восстановление кислорода на модифицированных хиноном стеклоуглеродных электродах» ("Substituent effects on the electrocatalytic reduction of oxygen on quinone-modified glassy carbon electrodes"), Phys. Chem.Chem.Phys.(2004), 6(6), 1321-1327 и Vaik, Katri; Schiffrin, David J.; Tammeveski, Kaido, «Электрохимическое восстановление кислорода на предварительно анодно обработанных и химически привитых стеклоуглеродных электродах в щелочных растворах» ("Electrochemical reduction of oxygen on anodically pre-treated and chemically grafted glassy carbon electrodes in alkaline solutions"), Electrochemistry Communications (2004), 6(1), 1-5.Electrochemical oxygen reduction on a carbon cathode with grafted anthraquinone is described, for example, in WO 02/02846, Mirkhalaf, Fakhradin; Tammeveski, Kaido; Schiffrin, David J., “Substituent effects on the electrocatalytic reduction of oxygen on quinone-modified glassy carbon electrodes”, Phys. Chem. Chem. Phys. (2004), 6 (6), 1321-1327; and Vaik, Katri; Schiffrin, David J .; Tammeveski, Kaido, "Electrochemical reduction of oxygen on anodically pre-treated and chemically grafted glassy carbon electrodes in alkaline solutions", Electrochemistry Communications (2004), 6 (1), 1-5.

Vaik, Katri; Sarapuu, Ave; Tammeveski, Kaido; Mirkhalaf, Fakhradin; Schiffrin, David J. в работе «Восстановление кислорода на модифицированных фенантренхиноном стеклоуглеродных электродах в 0,1 М КОН» ("Oxygen reduction on phenanthrenequinone-modified glassy carbon electrodes in 0.1 M KOH"), Journal of Electroanalytical Chemistry (2004), 564(1-2), 159-166, описывают использование катода с привитым фенантренхиноном.Vaik, Katri; Sarapuu, Ave; Tammeveski, Kaido; Mirkhalaf, Fakhradin; Schiffrin, David J., Oxygen reduction on phenanthrenequinone-modified glassy carbon electrodes in 0.1 M KOH, Journal of Electroanalytical Chemistry (2004), 564 ( 1-2), 159-166, describe the use of a cathode with a grafted phenanthrene quinone.

В WO 03/004727 описан электросинтез органических соединений путем электрохимического превращения соединения в присутствии электролита, содержащего ионную жидкость комнатной температуры, и извлечения продукта.WO 03/004727 describes the electrosynthesis of organic compounds by electrochemical conversion of a compound in the presence of an electrolyte containing an ionic liquid at room temperature and recovering the product.

Задачей изобретения является обеспечение эффективного способа производства хлората щелочного металла.The objective of the invention is to provide an effective method for the production of alkali metal chlorate.

Еще одной задачей изобретения является обеспечение способа, обеспечивающего возможность одновременного производства хлората щелочного металла и пероксида водорода.Another objective of the invention is the provision of a method that enables the simultaneous production of alkali metal chlorate and hydrogen peroxide.

Изобретение относится к способу производства хлората щелочного металла, включающему в себя:The invention relates to a method for the production of alkali metal chlorate, including:

обеспечение электрохимической ячейки, содержащей анод и катод в отдельных анодной и катодной камерах;providing an electrochemical cell containing the anode and cathode in separate anode and cathode chambers;

контактирование катода с католитом, содержащим по меньшей мере один органический медиатор и одну или более органическую или неорганическую кислоты;contacting the cathode with a catholyte containing at least one organic mediator and one or more organic or inorganic acids;

реагирование органического медиатора на катоде с образованием по меньшей мере одной восстановленной формы этого медиатора;reacting the organic mediator at the cathode with the formation of at least one reduced form of this mediator;

реагирование упомянутой по меньшей мере одной восстановленной формы медиатора с кислородом с образованием пероксида водорода;reacting said at least one reduced form of a mediator with oxygen to form hydrogen peroxide;

контактирование анода с анолитом, содержащим хлорид щелочного металла;contacting the anode with an anolyte containing alkali metal chloride;

реагирование хлорида на аноде с образованием хлора, который гидролизуется; иthe reaction of chloride at the anode with the formation of chlorine, which is hydrolyzed; and

реагирование гидролизованного хлора с образованием хлората.the reaction of hydrolyzed chlorine with the formation of chlorate.

Предпочтительно пероксид водорода отделяют от католита в качестве продукта или используют в качестве реагента для производства других химикатов без выделения из электролита. Однако в случае, если пероксид водорода на данной производственной площадке не нужен, можно также просто уничтожить его, например, путем каталитического разложения.Preferably, hydrogen peroxide is separated from catholyte as a product or used as a reagent for the production of other chemicals without isolation from the electrolyte. However, if hydrogen peroxide is not needed at this production site, it can also be simply destroyed, for example, by catalytic decomposition.

Анолит может иметь концентрацию хлорид-ионов вплоть до насыщения, предпочтительно от примерно 30 до примерно 300 г/л, более предпочтительно от примерно 50 до примерно 250 г/л, наиболее предпочтительно от примерно 80 до примерно 200 г/л, в расчете на хлорид натрия. Обычно анолит также содержит, по меньшей мере, некоторое количество хлората, предпочтительно от примерно 1 до примерно 1200 г/л, в расчете на хлорат натрия. В одном из вариантов осуществления его предпочтительное содержание составляет от примерно 300 до примерно 650 г/л, наиболее предпочтительно от примерно 500 до примерно 650 г/л, в расчете на хлорат натрия. В другом варианте осуществления его предпочтительное содержание составляет от примерно 1 до примерно 50 г/л, наиболее предпочтительно от примерно 1 до примерно 30 г/л, в расчете на хлорат натрия.The anolyte can have a concentration of chloride ions up to saturation, preferably from about 30 to about 300 g / l, more preferably from about 50 to about 250 g / l, most preferably from about 80 to about 200 g / l, based on chloride sodium. Typically, the anolyte also contains at least some chlorate, preferably from about 1 to about 1200 g / l, based on sodium chlorate. In one embodiment, its preferred content is from about 300 to about 650 g / l, most preferably from about 500 to about 650 g / l, based on sodium chlorate. In another embodiment, its preferred content is from about 1 to about 50 g / l, most preferably from about 1 to about 30 g / l, based on sodium chlorate.

Для стимулирования гидролиза хлора рН в объеме анолита предпочтительно составляет, по меньшей мере, примерно 4, наиболее предпочтительно от примерно 4 до примерно 10. Следует понимать, что могут иметь место локальные отклонения величины рН и, в частности, могут существовать локальные зоны со значительно более низким рН, так как образуются протоны.To stimulate the hydrolysis of chlorine, the pH in the volume of the anolyte is preferably at least about 4, most preferably from about 4 to about 10. It should be understood that there may be local deviations in pH and, in particular, local zones with significantly more low pH, as protons are formed.

Для подавления нежелательных побочных реакций возможно вводить в анолит хромат, дихромат щелочного металла или другой подходящий рН буфер. Если в анолите присутствует хромат или дихромат, его содержание предпочтительно составляет от примерно 0,01 до примерно 10 г/л, наиболее предпочтительно от примерно 0,01 до примерно 6 г/л, в расчете на хромат натрия. Однако также возможно работать, по существу, в отсутствие хромата в анолите.To suppress undesirable side reactions, it is possible to introduce chromate, an alkali metal dichromate, or other suitable pH buffer into the anolyte. If chromate or dichromate is present in the anolyte, its content is preferably from about 0.01 to about 10 g / l, most preferably from about 0.01 to about 6 g / l, based on sodium chromate. However, it is also possible to work essentially in the absence of chromate in the anolyte.

Если не указано иное, все концентрации в г/л даны относительно объема реального раствора.Unless otherwise indicated, all concentrations in g / l are given relative to the volume of the real solution.

Температура анолита предпочтительно составляет от примерно 20 до примерно 100°С, наиболее предпочтительно от примерно 40 до примерно 90°С.The temperature of the anolyte is preferably from about 20 to about 100 ° C., Most preferably from about 40 to about 90 ° C.

Соответственно, большая часть хлора, образовавшегося в анодной камере, растворяется в растворе-анолите. Растворенный хлор самопроизвольно претерпевает частичный гидролиз с образованием хлорноватистой кислоты в соответствии с уравнениемAccordingly, most of the chlorine formed in the anode chamber dissolves in the anolyte solution. Dissolved chlorine spontaneously undergoes partial hydrolysis with the formation of hypochlorous acid in accordance with the equation

Cl2 + H2O → HClO + HClCl 2 + H 2 O → HClO + HCl

Хлорноватистая кислота претерпевает диспропорционирование (в некоторых литературных источниках именуемое «автоокислением») до хлората в соответствии с общим уравнениемHypochlorous acid undergoes a disproportionation (in some literature referred to as “autooxidation”) to chlorate in accordance with the general equation

2HClO + ClO- → ClO3- + 2Cl- + 2H+ 2HClO + ClO - → ClO 3 - + 2Cl - + 2H +

Диспропорционирование может иметь место в данной ячейке, в отдельном хлоратном реакторе или и там, и там.Disproportionation can take place in a given cell, in a separate chlorate reactor, or both.

Предпочтительно анолит из анодной камеры, также именуемый «хлоратным электролитом» и обычно содержащий хлор и/или хлорноватистую кислоту, подают в хлоратный реактор для осуществления реакций диспропорционирования с получением хлората. Хлоратный реактор может быть обычного типа, например, как описанный в US 5419818, и может включать в себя одну или несколько хлоратных емкостей.Preferably, the anolyte from the anode chamber, also referred to as “chlorate electrolyte” and usually containing chlorine and / or hypochlorous acid, is fed to a chlorate reactor for disproportionation reactions to produce chlorate. The chlorate reactor may be of the usual type, for example as described in US 5,419,818, and may include one or more chlorate vessels.

Когда диспропорционирование в достаточной мере завершено, хлоратный электролит может быть подан в кристаллизатор для осаждения и извлечения твердого хлората щелочного металла. Маточный раствор из кристаллизатора, обычно содержащий непрореагировавшие хлорид-ионы, гипохлорит и хлорат, затем предпочтительно рециркулируют в анодную камеру электрохимической ячейки для образования анолита вместе со свежедобавленным хлоридом щелочного металла. Также можно использовать хлоратный электролит как таковой без проведения кристаллизации, например, в качестве сырья, подаваемого в генератор диоксида хлора. Такой вариант осуществления является выгодным в интегрированном процессе, в котором обедненный в генераторе раствор из производства диоксида хлора возвращают в анодную камеру электрохимической ячейки для производства хлората.When the disproportionation is sufficiently completed, the chlorate electrolyte can be fed to the crystallizer to precipitate and recover solid alkali metal chlorate. The mother liquor from the crystallizer, usually containing unreacted chloride ions, hypochlorite and chlorate, is then preferably recycled to the anode chamber of the electrochemical cell to form the anolyte together with freshly added alkali metal chloride. You can also use chlorate electrolyte as such without crystallization, for example, as raw materials supplied to the chlorine dioxide generator. Such an embodiment is advantageous in an integrated process in which a depleted solution in a generator from chlorine dioxide production is returned to the anode chamber of an electrochemical cell for chlorate production.

Производство хлората щелочного металла может быть осуществлено непрерывно, периодически или в смешанном режиме.The production of alkali metal chlorate can be carried out continuously, batchwise or in a mixed mode.

Органический медиатор в католите предпочтительно растворен в преимущественно водной или преимущественно органической сплошной жидкой фазе, предпочтительно обладающей удельной электропроводностью при условиях процесса по меньшей мере, примерно 0,1 См/м, более предпочтительно по меньшей мере примерно 1 См/м, наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 3 См/м. Однако возможно также, чтобы органический медиатор был растворен в преимущественно органической фазе, эмульгированной в сплошной, преимущественно водной, фазе.The organic mediator in catholyte is preferably dissolved in a predominantly aqueous or predominantly organic continuous liquid phase, preferably having electrical conductivity under process conditions of at least about 0.1 S / m, more preferably at least about 1 S / m, most preferably at least at least about 3 S / m. However, it is also possible that the organic mediator is dissolved in a predominantly organic phase emulsified in a continuous, predominantly aqueous, phase.

Органический медиатор представляет собой вещество, способное электрохимически реагировать на катоде с образованием одной или нескольких восстановленных форм, которые, в свою очередь, способны реагировать с предпочтительно молекулярным кислородом и преобразовываться обратно в свою первоначальную форму, тем самым обеспечивая возможность циклического процесса. Реакция восстановленных форм медиатора с кислородом предпочтительно происходит в присутствии протонов. Однако в отсутствие подходящего источника протонов возможно образование пероксидных солей, например Na2O2, которые впоследствии могут быть гидролизованы с получением пероксида водорода. Вне рамок какой-либо теории предполагается, что схема реакции образования пероксида водорода включает перенос двух электронов и двух протонов, происходящий в отдельных или комбинированных одновременных реакциях, и, как предполагается, с участием в качестве промежуточных частиц О2-·, НОО· и НОО-.An organic mediator is a substance capable of electrochemically reacting at the cathode to form one or more reduced forms, which, in turn, are capable of reacting with preferably molecular oxygen and converting back to its original form, thereby enabling a cyclic process. The reaction of the reduced forms of the mediator with oxygen preferably occurs in the presence of protons. However, in the absence of a suitable proton source, formation of peroxide salts, for example Na 2 O 2 , is possible, which can subsequently be hydrolyzed to produce hydrogen peroxide. Outside of any theory, it is assumed that the reaction scheme for the formation of hydrogen peroxide involves the transfer of two electrons and two protons that occurs in separate or combined simultaneous reactions, and, as expected, involving O 2 - ·, НОО ·, and НОО as intermediate particles - .

Примеры классов органических веществ, образующих окислительно-восстановительные системы и применимых в качестве медиаторов, включают хиноны, флавохиноны, производные пиридина, такие как никотинамиды, и кетоны.Examples of classes of organic compounds that form redox systems and are useful as mediators include quinones, flavoquinones, pyridine derivatives such as nicotinamides, and ketones.

Подходящие хиноны включают молекулы, содержащие (бензо)хиноновый фрагмент (орто- или пара-формы), среди которых предпочтительными являются антрахиноны, тетрагидрохиноны, нафтохиноны, бензохиноны и их производные. Антрахиноны, нафтохиноны и бензохиноны являются предпочтительно замещенными, например, алкилзамещенными, как 2-алкил-9,10-антрахиноны. Конкретные примеры включают 2-этил-9,10-антрахинон, 2-третбутил-9,10-антрахинон, 2-гексенил-9,10-антрахинон, эвтектические смеси алкил-9,10-антрахинонов, смеси 2-амил-9,10-антрахинонов, причем все они имеют высокую стабильность. Конкретные примеры алкилзамещенных нафтохинонов включают 2-метил-1,4-нафтохинон, 2-этил-1,4-нафтохинон, 2-пропил-1,4-нафтохинон, 2-третбутил-1,4-нафтохинон, 2-третамил-1,4-нафтохинон, 2-изоамил-1,4-нафтохинон, 2,3-диметил-1,4-нафтохинон. Другие примеры заместителей, пригодные для управления реакционной способностью и растворимостью хинонов, включают -SO3H/-SO3-, -PO2R-, -OPO3R-, -NO2, -OCH3, -SO2CH3, -OPh, -SPh, -SO2Ph, -COOH/-COO-, -CN, -OH, -COCH3, -F, -Cl, -Br, -CF3, -NH2/-NH3+, -NRH/-NRH2+, -NR2/-NR2H+, -NR3+, -PH2/-NH3+, -SR2+, -PRH/-PRH2+, -PR2/-PR2H+ и -PR3+, где R предпочтительно представляют собой, независимо друг от друга, необязательно замещенный алкил, алкенил, или арил, или водород. Антрахинон может быть одно- или многозамещенным некоторой комбинацией из вышеуказанных и/или других заместителей. Также можно использовать производные хинона с несущими общий заряд заместителями, придающими молекуле ионный характер. Конкретные примеры замещенных не алкилами производных хинона включают антрахинон-2-сульфонат, 5,6,7,8-тетрагидро-9,10-антрахинон-2-сульфонат, антрахинон-2,6-дисульфонат, нафтохинон-2-сульфонат, 2-метокси-1,4-нафтохинон, 2-этокси-1,4-нафтохинон, 2-аминоантрахинон, 2-аминонафтохинон, 2-(алкиламино)-антрахинон, 2-(диалкиламино)-антрахинон, 2-(триалкиламоний)-антрахинон, 2-(алкиламино)-нафтохинон, 2-(диалкиламино)-нафтохинон, 2-(триалкиламмоний)-нафтохинон. Нафтохиноны могут, например, быть замещены в любом положении на боковом кольце, например нафтохинон-6-сульфонат или 6-триалкиламмонийнафтохинон. Также может быть выгодным один заместитель на каждом кольце, как, например, в 6-амилнафтахинон-2-сульфонате или 6-этил-2-триэтиламмонийнафтохиноне. Соответствующими примерами для бензохинона являются бензохинон-2-сульфонат и 2-(этил,диметил)аммоний. Также могут быть использованы антрахиноны и нафтохиноны с частично гидрированными боковыми кольцами, например 1,2,3,4-тетрагидроантрахинон, 5,6,7,8-тетрагидро-2-этилантрахинон, 5,6,7,8-тетрагидронафтохинон. Это также относится к замещенным антра- и нафтохинонам, включая те, которые соответствуют указанным выше типам.Suitable quinones include molecules containing a (benzo) quinone moiety (ortho or para forms), among which anthraquinones, tetrahydroquinones, naphthoquinones, benzoquinones and their derivatives are preferred. Anthraquinones, naphthoquinones and benzoquinones are preferably substituted, for example, alkyl substituted, such as 2-alkyl-9,10-anthraquinones. Specific examples include 2-ethyl-9,10-anthraquinone, 2-tert-butyl-9,10-anthraquinone, 2-hexenyl-9,10-anthraquinone, eutectic mixtures of alkyl-9,10-anthraquinones, mixtures of 2-amyl-9, 10-anthraquinones, all of which have high stability. Specific examples of alkyl substituted naphthoquinones include 2-methyl-1,4-naphthoquinone, 2-ethyl-1,4-naphthoquinone, 2-propyl-1,4-naphthoquinone, 2-tert-butyl-1,4-naphthoquinone, 2-tertamyl-1 4-naphthoquinone, 2-isoamyl-1,4-naphthoquinone, 2,3-dimethyl-1,4-naphthoquinone. Other examples of substituents suitable for controlling the reactivity and solubility of quinones include —SO 3 H / —SO 3 - , —PO 2 R - , —OPO 3 R - , —NO 2 , —OCH 3 , —SO 2 CH 3 , -OPh, -SPh, -SO 2 Ph, -COOH / -COO - , -CN, -OH, -COCH 3 , -F, -Cl, -Br, -CF 3 , -NH 2 / -NH 3 + , -NRH / -NRH 2 + , -NR 2 / -NR 2 H + , -NR 3 + , -PH 2 / -NH 3 + , -SR 2 + , -PRH / -PRH 2 + , -PR 2 / - PR 2 H + and -PR 3 + , where R is preferably, independently of one another, optionally substituted alkyl, alkenyl, or aryl, or hydrogen. Anthraquinone may be mono- or multisubstituted with some combination of the above and / or other substituents. Quinone derivatives with substituents carrying a common charge, which give the molecule an ionic character, can also be used. Specific examples of non-alkyl substituted quinone derivatives include anthraquinone-2-sulfonate, 5,6,7,8-tetrahydro-9,10-anthraquinone-2-sulfonate, anthraquinone-2,6-disulfonate, naphthoquinone-2-sulfonate, 2- methoxy-1,4-naphthoquinone, 2-ethoxy-1,4-naphthoquinone, 2-aminoanthraquinone, 2-aminonaphthoquinone, 2- (alkylamino) -anthraquinone, 2- (dialkylamino) -anthraquinone, 2- (trialkylammonium) -anthraquinone, 2- (alkylamino) naphthoquinone, 2- (dialkylamino) naphthoquinone, 2- (trialkylammonium) naphthoquinone. Naphthoquinones can, for example, be substituted at any position on the side ring, for example naphthoquinone-6-sulfonate or 6-trialkylammonium naphthoquinone. It may also be advantageous to have one substituent on each ring, such as, for example, in 6-amylnaphthaquinone-2-sulfonate or 6-ethyl-2-triethylammonium naphthoquinone. Suitable examples for benzoquinone are benzoquinone-2-sulfonate and 2- (ethyl, dimethyl) ammonium. Anthraquinones and naphthoquinones with partially hydrogenated side rings can also be used, for example, 1,2,3,4-tetrahydroantraquinone, 5,6,7,8-tetrahydro-2-ethylantraquinone, 5,6,7,8-tetrahydronaphthoquinone. This also applies to substituted anthra and naphthoquinones, including those corresponding to the above types.

В случае, когда хинон является замещенным и содержит одну или более необязательно замещенную алкильную, алкенильную или арильную группы, является предпочтительным, чтобы эти группы, независимо друг от друга, имели от 1 до 12 атомов углерода, наиболее предпочтительно от 1 до 8 атомов углерода. Если имеется более чем одна такая группа, то они предпочтительно имеют смешанную длину цепей. Алкильные, алкенильные и арильные группы также могут быть замещенными, например, одной или более гидроксильной группой.In the case where the quinone is substituted and contains one or more optionally substituted alkyl, alkenyl or aryl groups, it is preferable that these groups, independently from each other, have from 1 to 12 carbon atoms, most preferably from 1 to 8 carbon atoms. If there is more than one such group, then they preferably have a mixed chain length. Alkyl, alkenyl and aryl groups may also be substituted, for example, by one or more hydroxyl groups.

Хиноны, включая антрахиноны, тетрагидроантрахиноны, нафтохиноны, бензохиноны и их производные, могут быть восстановлены до соответствующих гидрохинонов путем последовательного присоединения двух электронов и двух протонов. Наряду с хиноном и гидрохиноном, как полагают, присутствуют и являются активными ряд промежуточных форм, таких как семихиноновый радикал и семихиноновый анион, а также основные формы кислого гидрохинона. Все эти восстановленные формы могут реагировать с кислородом и вносить вклад в общую реакцию образования пероксида водорода и исходного хинона.Quinones, including anthraquinones, tetrahydroantraquinones, naphthoquinones, benzoquinones and their derivatives, can be reduced to the corresponding hydroquinones by sequential addition of two electrons and two protons. Along with quinone and hydroquinone, it is believed that a number of intermediate forms are present and active, such as the semiquinone radical and the semiquinone anion, as well as the main forms of acid hydroquinone. All of these reduced forms can react with oxygen and contribute to the general reaction of hydrogen peroxide and starting quinone formation.

Другие медиаторные системы, способные восстанавливать кислород до супероксида и впоследствии пероксида водорода, включают флавохиноны, например флавин (см., например, H. Tatsumi и др. в работе «Механистическое исследование автоокисления восстановленных соединений флавина и хинона» ("Mechanistic study of the autooxidation of reduced flavin and quinone compounds") в Journal of Electroanalytical Chemistry (1998), 443, 236-242) и производные пиридина, такие как никотинамид, и их производные.Other mediator systems capable of reducing oxygen to superoxide and subsequently hydrogen peroxide include flavoquinones, for example flavin (see, for example, H. Tatsumi et al. In “Mechanistic study of the autooxidation” of reduced flavin and quinone compounds ") in Journal of Electroanalytical Chemistry (1998), 443, 236-242) and pyridine derivatives such as nicotinamide and derivatives thereof.

Другие медиаторные системы образованы кетонами и соответствующими им спиртами. Кетон может быть электрохимически восстановлен до соответствующего спирта, который реагирует с кислородом с образованием пероксида водорода и исходного кетона. Предпочтительными являются вторичные спирты и в особенности фенильные. Пригодные спирты включают изопропиловый спирт, бензиловый спирт, дифенилметанол, метилфенилметанол. Также могут быть использованы вторичные спирты, дополнительно содержащие несущую заряд группу.Other mediator systems are formed by ketones and their corresponding alcohols. The ketone can be electrochemically reduced to the corresponding alcohol, which reacts with oxygen to form hydrogen peroxide and the starting ketone. Secondary alcohols and especially phenyl are preferred. Suitable alcohols include isopropyl alcohol, benzyl alcohol, diphenylmethanol, methylphenylmethanol. Secondary alcohols optionally containing a charge-carrying group may also be used.

Содержание органического медиатора, включая его восстановленные формы, в католите предпочтительно составляет по меньшей мере примерно 0,1 мас.%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 1 мас.%, наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 3 мас.%. Оно ограничивается сверху только растворимостью, которая зависит от используемого медиатора и состава жидкой фазы, однако во многих случаях может достигать примерно 10 мас.% или примерно 20 мас.% или даже более. В одном варианте осуществления, в котором значительная часть пероксида водорода образуется вне ячейки, содержание органического медиатора предпочтительно составляет по меньшей мере примерно 1 мас.%, более предпочтительно по меньшей мере примерно 3 мас.%, наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 10 мас.%.The content of the organic mediator, including its reduced forms, in the catholyte is preferably at least about 0.1 wt.%, More preferably at least about 1 wt.%, Most preferably at least about 3 wt.%. It is limited from above only by solubility, which depends on the mediator used and the composition of the liquid phase, but in many cases it can reach about 10 wt.% Or about 20 wt.% Or even more. In one embodiment, in which a significant portion of hydrogen peroxide is formed outside the cell, the content of the organic mediator is preferably at least about 1 wt.%, More preferably at least about 3 wt.%, Most preferably at least about 10 wt.% .

Если католит содержит преимущественно водную сплошную фазу, в которой растворен органический медиатор, эта фаза предпочтительно содержит по меньшей мере примерно 50 мас.%, наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 80 мас.% воды и других неорганических компонентов. Тогда является предпочтительным, чтобы медиатор выбирался из тех, которые обладают высокой растворимостью в воде, например хинонов, имеющих одну или более гидрофильную группу, такую как -SO3H/-SO3-, -NO2, -COOH/-COO-, -ОН, -NH2/-NH3+, -NRH/-NRH2+, -NR2/-NR2H+, -NR3+, -PH2/-NH3+, -PRH/-PRH2+, -PR2/-PR2H+ и -PR3+, где R предпочтительно представляет собой, независимо друг от друга, водород или необязательно замещенный алкил или алкенил.If the catholyte contains predominantly an aqueous continuous phase in which the organic mediator is dissolved, this phase preferably contains at least about 50 wt.%, Most preferably at least about 80 wt.% Of water and other inorganic components. Then it is preferred that the mediator is selected from those that have high solubility in water, for example quinones having one or more hydrophilic groups, such as —SO 3 H / —SO 3 - , —NO 2 , —COOH / —COO - , -OH, -NH 2 / -NH 3 + , -NRH / -NRH 2 + , -NR 2 / -NR 2 H + , -NR 3 + , -PH 2 / -NH 3 + , -PRH / -PRH 2 + , -PR 2 / -PR 2 H + and -PR 3 + , where R preferably represents, independently of one another, hydrogen or optionally substituted alkyl or alkenyl.

Если католит содержит преимущественно органическую сплошную фазу, в которой растворен органический медиатор, эта фаза предпочтительно содержит по меньшей мере примерно 50 мас.%, наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 80 мас.%, органических компонентов и в крайних случаях может, по существу, не содержать неорганических компонентов. Однако является предпочтительным, чтобы содержались по меньшей мере примерно 5 мас.%, наиболее предпочтительно по меньшей мере примерно 20 мас.%, неорганических компонентов. Этими неорганическими компонентами могут быть, например, неорганические ионы солей, образованных как органическими, так и неорганическими ионами.If the catholyte contains predominantly an organic continuous phase in which the organic mediator is dissolved, this phase preferably contains at least about 50 wt.%, Most preferably at least about 80 wt.%, Organic components and in extreme cases may essentially not contain inorganic components. However, it is preferred that at least about 5 wt.%, Most preferably at least about 20 wt.%, Of the inorganic components are contained. These inorganic components can be, for example, inorganic ions of salts formed by both organic and inorganic ions.

Сплошная жидкая фаза католита предпочтительно содержит по меньшей мере частично органическую соль, содержащую по меньшей мере один вид органического катиона и/или органического аниона. Ее содержание в сплошной жидкой фазе предпочтительно составляет от примерно 20 мас.% до примерно 99 мас.%, более предпочтительно от примерно 40 мас.% до примерно 95 мас.%, наиболее предпочтительно от примерно 60 мас.% до примерно 90 мас.%.The continuous liquid phase of the catholyte preferably contains at least partially an organic salt containing at least one kind of organic cation and / or organic anion. Its content in the continuous liquid phase is preferably from about 20 wt.% To about 99 wt.%, More preferably from about 40 wt.% To about 95 wt.%, Most preferably from about 60 wt.% To about 90 wt.% .

Сплошная жидкая фаза католита предпочтительно имеет рН меньше 7. Если эта жидкая фаза является преимущественно органической, то этот рН соответствует рН, полученному в воде, поддерживаемой в равновесии с преимущественно органической жидкой фазой.The continuous liquid phase of the catholyte preferably has a pH of less than 7. If this liquid phase is predominantly organic, then this pH corresponds to the pH obtained in water maintained in equilibrium with the predominantly organic liquid phase.

По меньшей мере частично органическая соль может быть выбрана из группы солей, именуемых ионными жидкостями, т.е. широкого класса жидкостей, по существу, состоящих из ионов. Ионная жидкость может быть простой и содержать один вид анионов и один вид катионов или же может быть сложной и содержать смесь различных анионов и/или различных катионов. Некоторые ионные жидкости имеют низкую температуру плавления и пренебрежимо малое давление паров вблизи или ниже комнатной температуры и часто называются ионными жидкостями комнатной температуры. Такие ионные жидкости обычно остаются жидкими в широком диапазоне температур.At least partially, the organic salt may be selected from the group of salts referred to as ionic liquids, i.e. a wide class of liquids essentially consisting of ions. The ionic liquid can be simple and contain one kind of anion and one kind of cation, or it can be complex and contain a mixture of different anions and / or different cations. Some ionic liquids have a low melting point and negligible vapor pressure near or below room temperature and are often called room temperature ionic liquids. Such ionic liquids usually remain liquid over a wide temperature range.

По меньшей мере частично органическая соль может быть также выбрана из солей, которые сами по себе не могут быть классифицированы как ионные жидкости, но обладают такими свойствами, когда присутствуют вместе с нейтральным сорастворителем, таким как вода или низкомолекулярный спирт типа метанола, этанола или пропанола, из которых предпочтительным является вода. Массовое отношение соли к сорастворителю предпочтительно составляет от примерно 1:1 до примерно 1000:1, более предпочтительно от примерно 2:1 до примерно 100:1, наиболее предпочтительно от примерно 5:1 до примерно 20:1.At least partially, the organic salt can also be selected from salts which alone cannot be classified as ionic liquids, but which possess such properties when present together with a neutral cosolvent such as water or a low molecular weight alcohol such as methanol, ethanol or propanol, of which water is preferred. The weight ratio of salt to co-solvent is preferably from about 1: 1 to about 1000: 1, more preferably from about 2: 1 to about 100: 1, most preferably from about 5: 1 to about 20: 1.

Предпочтительно использовать такую по меньшей мере частично органическую соль, которая сама по себе или в сочетании с нейтральным сорастворителем образует жидкую фазу при атмосферном давлении ниже примерно 130°С, предпочтительно ниже примерно 100°С, наиболее предпочтительно ниже примерно 80°С. Кроме того, парциальное давление этой соли при 100°С предпочтительно составляет ниже примерно 10 кПа, более предпочтительно ниже примерно 1 кПа, наиболее предпочтительно ниже примерно 0,1 кПа (исключая парциальное давление необязательного нейтрального сорастворителя).It is preferable to use at least partially an organic salt which alone or in combination with a neutral cosolvent forms a liquid phase at atmospheric pressure below about 130 ° C, preferably below about 100 ° C, most preferably below about 80 ° C. In addition, the partial pressure of this salt at 100 ° C is preferably below about 10 kPa, more preferably below about 1 kPa, most preferably below about 0.1 kPa (excluding the partial pressure of an optional neutral cosolvent).

Жидкость с подходящими физическими свойствами может содержать одну по меньшей мере частично органическую соль или смесь двух или более по меньшей мере частично органических солей, предпочтительно в сочетании с одним или более нейтральными сорастворителями, из которых предпочтительным является вода. Она также может содержать анионы и катионы, которые сами по себе не образуют солей с подходящими свойствами.A fluid with suitable physical properties may contain one at least partially organic salt or a mixture of two or more at least partially organic salts, preferably in combination with one or more neutral cosolvents, of which water is preferred. It may also contain anions and cations, which themselves do not form salts with suitable properties.

Такая по меньшей мере частично органическая соль может быть образована различными сочетаниями катионов и анионов, среди которых по меньшей мере один вид иона является органическим. Эти ионы предпочтительно являются одновалентными. Примеры катионов включают 1-алкил-3-метилимидазолий, 1-бутил-3-метилимидазолий [BMIM], 1-этил-3-метилимидазолий [EMIM], 1,2,3-триметилимидазолий, н-алкилпиридиний, н-бутилпиридиний [BPY], пирролидиний, гуанидиний и алкилгуанидиний, изоуроний, PR4+, NR4+, SR3+, тетраметиламмоний, холин, кокомоний и их смеси, где R предпочтительно представляют собой, независимо друг от друга, необязательно замещенный алкил, алкенил, или арил, или водород. Другие примеры включают замещенные хиноны, обозначаемые здесь [Q-NR3+] и [Q-PR3+], где Q означает хинон, такой как антрахинон, нафтохинон или бензохиноны, а R - то же, что и выше. Примеры анионов включают гексафторфосфат [HFP], тетрафторборат [TFB], фторсульфонат, гексафторантимонат, гексафторарсенат, хлоралюминат, бромалюминат, бис(трифторметилсульфонил)имид, трис(трифторметилсульфонил)метид, трицианометид, дицианамид, нонафторбутансульфонат, трифторметансульфонат, 2,2,2-трифторэтансульфонат, нитрат, сульфат, фосфат, RPO42-, R2PO4-, R2PO2- (например, диалкилфосфинат), перхлорат, ацетат, алкилсульфонат, бис(2-этилгексил)натрия сульфосукцинат, диэтиленгликольмонометилэфирсульфат, алкилолигоэфирсульфат, пивалат, тетраалкилборат, пропионат, сукцинат, сахаринат, гликолят, стеарат, лактат, малат, тартрат, цитрат, аскорбат, глютамат, бензоат, салицилат, метансульфонат, толуолсульфонат и их смеси, где R означает то же, что и выше. Другие примеры включают замещенные хиноны, обозначаемые здесь [Q-(O)-SO3-] и [Q-(O)-PO3R-], где Q означает хинон, такой как антрахинон, нафтохинон или бензохиноны, (О) обозначает необязательный кислород (например, сульфат/сульфонат и фосфат/фосфонат), а R означает то же, что и выше.Such an at least partially organic salt can be formed by various combinations of cations and anions, among which at least one type of ion is organic. These ions are preferably monovalent. Examples of cations include 1-alkyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium [BMIM], 1-ethyl-3-methylimidazolium [EMIM], 1,2,3-trimethylimidazolium, n-alkylpyridinium, n-butylpyridinium [BPY ], pyrrolidinium, guanidinium and alkylguanidino, izourony, PR 4 +, NR 4 +, SR 3 +, tetramethylammonium, choline, cocomonium, and mixtures thereof, wherein R preferably represent, independently of each other, optionally substituted alkyl, alkenyl, or aryl , or hydrogen. Other examples include substituted quinones, referred to herein as [Q-NR 3 + ] and [Q-PR 3 + ], where Q is quinone, such as anthraquinone, naphthoquinone or benzoquinones, and R is the same as above. Examples of anions include hexafluorophosphate [HFP], tetrafluoroborate [TFB], fluorosulfonate, hexafluoroantimonate, hexafluoroarsenate, chloroaluminate, bromoaluminate, bis (trifluoromethyl sulfonyl) imide, tris (trifluoromethyl sulfonyl) methide, trifluoronated, tri-trifluoromethanesulfonate , nitrate, sulfate, phosphate, RPO 4 2- , R 2 PO 4 - , R 2 PO 2 - (e.g. dialkyl phosphinate), perchlorate, acetate, alkyl sulfonate, bis (2-ethylhexyl) sodium sulfosuccinate, diethylene glycol monomethyl ether sulfate, alkyl oligoester, tetraal ilborat, propionate, succinate, saccharinate, glycolate, stearate, lactate, malate, tartrate, citrate, ascorbate, glutamate, benzoate, salicylate, methanesulfonate, toluenesulfonate, and mixtures thereof, wherein R means the same as above. Other examples include substituted quinones, referred to herein as [Q- (O) -SO 3 - ] and [Q- (O) -PO 3 R - ], where Q is quinone such as anthraquinone, naphthoquinone or benzoquinones, (O) means optional oxygen (e.g., sulfate / sulfonate and phosphate / phosphonate), and R means the same as above.

В случае, когда любой катион или анион содержит одну или более необязательно замещенную алкильную, алкенильную или арильную группы, предпочтительно, чтобы эти группы, независимо друг от друга, имели от 1 до 12 атомов углерода, наиболее предпочтительно от 1 до 8 атомов углерода. Если имеется более чем одна такая группа, то они предпочтительно имеют смешанную длину цепей. Алкильные, алкенильные и арильные группы также могут быть замещенными, например, одной или более гидроксильной группой.In the case where any cation or anion contains one or more optionally substituted alkyl, alkenyl or aryl groups, it is preferable that these groups, independently from each other, have from 1 to 12 carbon atoms, most preferably from 1 to 8 carbon atoms. If there is more than one such group, then they preferably have a mixed chain length. Alkyl, alkenyl and aryl groups may also be substituted, for example, by one or more hydroxyl groups.

Примеры солей, применимых в настоящем изобретении, включают любую комбинацию следующих катионов: [1,3-диалкилимидазолий], [триалкиламмоний], [тетраалкиламмоний], [триалкилфосфоний], [тетраалкилфосфоний], [алкилпиридиний], [холин], [Q-NR3+] и [Q-PR3+], в сочетании с любым из следующих анионов: [сульфат], [фосфат], [алкилсульфат], [алкилсульфонат], [диалкилфосфат], [алкилфосфонат], [Q-(O)-SO3-] и [Q-(O)-PO3R-], где Q, (О) и R означают то же, что и выше.Examples of salts useful in the present invention include any combination of the following cations: [1,3-dialkylimidazolium], [trialkylammonium], [tetraalkylammonium], [trialkylphosphonium], [tetraalkylphosphonium], [alkylpyridinium], [choline], [Q-NR 3 + ] and [Q-PR 3 + ], in combination with any of the following anions: [sulfate], [phosphate], [alkyl sulfate], [alkyl sulfonate], [dialkyl phosphate], [alkyl phosphonate], [Q- (O) -SO 3 - ] and [Q- (O) -PO 3 R - ], where Q, (O) and R mean the same as above.

Конкретные комбинации групп включают в себя [1,3-диалкилимидазолий][алкилсульфонат], такой как любой из следующих: [1-бутил-3-метилимидазолий][метил-SO3-], [1-этил-3-метилимидазолий][этилсульфонат], [1-гексил-3-метилимидазолий][тозилат], [1-бутил-3-метилимидазолий][антрахинон-2-сульфонат] или [1-бутил-3-метилимидазолий][5-третамилнафтохинон-2-сульфонат]; [тетраалкиламмоний][Q-(O)-SO3-], такие как любой из следующих: [метил,триэтиламмоний][5-третамилнафтохинон-2-сульфонат], [метил,диэтил,бутиламмоний][антрахинон-2-сульфонат] или [холин][5-амилбензохинон-2-сульфонат]; или [Q-NR3+][алкилсульфонат], такой как [5,6,7,8-тетрагидроантрахинон-2-аминий, н,н,н-(метил,диэтил)][метилсульфонат]; [тетраалкилфосфоний][диалкилфосфат], такой как любой из следующих: [этилтрибутилфосфоний][диэтилфосфат], [фенилтриэтилфосфоний][диизобутилфосфат].Particular group combinations include [1,3-dialkylimidazolium] [alkylsulfonate] such as any of the following: [1-butyl-3-methylimidazolium] [methyl-SO 3 - ], [1-ethyl-3-methylimidazolium] [ ethyl sulfonate], [1-hexyl-3-methylimidazolium] [tosylate], [1-butyl-3-methylimidazolium] [anthraquinone-2-sulfonate] or [1-butyl-3-methylimidazolium] [5-tertamylnaphthoquinone-2-sulfonate ]; [tetraalkylammonium] [Q- (O) -SO 3 - ] such as any of the following: [methyl, triethylammonium] [5-tertamylnaphthoquinone-2-sulfonate], [methyl, diethyl, butylammonium] [anthraquinone-2-sulfonate] or [choline] [5-amylbenzoquinone-2-sulfonate]; or [Q-NR 3 + ] [alkyl sulfonate] such as [5,6,7,8-tetrahydroantraquinone-2-aminium, n, n, n- (methyl, diethyl)] [methyl sulfonate]; [tetraalkylphosphonium] [dialkylphosphate] such as any of the following: [ethyl tributylphosphonium] [diethyl phosphate], [phenyltriethylphosphonium] [diisobutyl phosphate].

Вне связи с конкретными комбинациями групп возможно множество комбинаций, таких как любая из следующих: [триизобутил(метил)фосфоний][тозилат], [тригексил(тетрадецил)фосфоний][бис-2,4,4-триметилпентилфосфинат] [тетрабутиламмоний][метансульфонат][1-этил-3-метилимидазолий] [HFP], [трипентилсульфоний][дипентил,бензиламмоний], [бензохинон-2-аминий-н,н,н-диэтил,фенил][5,6,7,8-тетрагидро-9,10-антрахинон-2-сульфонат], [холин][5-этокси-1,4-нафтохинон-6-сульфат], [н-пропилпиридиний][сахаринат].Without regard to specific group combinations, many combinations are possible, such as any of the following: [triisobutyl (methyl) phosphonium] [tosylate], [trihexyl (tetradecyl) phosphonium] [bis-2,4,4-trimethylpentylphosphinate] [tetrabutylammonium] [methanesulfonate ] [1-ethyl-3-methylimidazolium] [HFP], [tripentylsulfonium] [dipentyl, benzylammonium], [benzoquinone-2-amino-n, n, n-diethyl, phenyl] [5,6,7,8-tetrahydro -9,10-anthraquinone-2-sulfonate], [choline] [5-ethoxy-1,4-naphthoquinone-6-sulfate], [n-propylpyridinium] [saccharinate].

Кроме упомянутых выше, могут быть использованы также и другие виды имеющихся в продаже или иным образом известных ионных жидкостей или солей, обладающих такими свойствами в сочетании с нейтральным сорастворителем.In addition to those mentioned above, other types of commercially available or otherwise known ionic liquids or salts having such properties in combination with a neutral cosolvent can also be used.

Также можно использовать соль, в которой по меньшей мере один из ионов также действует в качестве медиатора, который подвергается реакции на катоде с образованием восстановленной формы и таким образом участвует в циклическом процессе получения пероксида водорода. В этом случае используемый медиатор может частично или полностью состоять из ионов такой соли. Примеры включают соли, содержащие катион или анион замещенного хинона или производного никотинамида, такого как упомянутые выше.You can also use a salt in which at least one of the ions also acts as a mediator, which undergoes a reaction at the cathode with the formation of the reduced form and thus participates in the cyclic process of producing hydrogen peroxide. In this case, the mediator used may partially or completely consist of ions of such a salt. Examples include salts containing a cation or anion of a substituted quinone or a nicotinamide derivative such as those mentioned above.

Использование по меньшей мере частично органической соли, как описано выше, в составе сплошной фазы электролита обеспечивает преимущества комбинирования высокой растворимости органических медиаторов, таких как хиноны, с хорошей электропроводностью. Другим преимуществом является очень низкая воспламеняемость, что дает возможность безопасно осуществлять реакцию с кислородом при более высоких концентрациях кислорода и более высокой температуре, чем было бы возможно при использовании обычных воспламеняющихся растворителей. Также облегчается отделение от него пероксида водорода, например, путем выпаривания или экстракции и тем самым получение пероксида водорода либо высокой чистоты, либо в подлежащей дальнейшей переработке смеси с выбранным соединением, например водой. Другим примером является смесь метанол/пероксид водорода для использования в качестве реагента в реакции эпоксидирования. Использование ионных жидкостей для образования пригодной для проведения реакций с участием пероксида водорода среды было описано в работе B. Chhikara и др. «Окисление спиртов пероксидом водорода, катализируемое новым ионом имидазолия на основе фосфорновольфраматного комплекса в ионной жидкости» ("Oxidation of alcohols with hydrogen peroxide catalyzed by a new imidazolium ion based phosphotungstate complex in ionic liquid"), Journal of Catalysis 230 (2005, 436-439).The use of at least partially an organic salt as described above in the continuous electrolyte phase provides the advantages of combining the high solubility of organic mediators, such as quinones, with good electrical conductivity. Another advantage is the very low flammability, which makes it possible to safely react with oxygen at higher oxygen concentrations and higher temperatures than would be possible with conventional flammable solvents. It also facilitates the separation of hydrogen peroxide from it, for example, by evaporation or extraction, and thereby the production of hydrogen peroxide, either of high purity, or in a mixture to be further processed with the selected compound, for example water. Another example is a methanol / hydrogen peroxide mixture for use as a reagent in an epoxidation reaction. The use of ionic liquids to form a medium suitable for carrying out reactions involving hydrogen peroxide was described by B. Chhikara et al. “Oxidation of alcohols with hydrogen peroxide, catalyzed by a new imidazolium ion based on the phosphoric tungstate complex in an ionic liquid” catalyzed by a new imidazolium ion based phosphotungstate complex in ionic liquid "), Journal of Catalysis 230 (2005, 436-439).

Католит дополнительно содержит одну или более органическую или неорганическую кислоты, такие как муравьиная кислота, уксусная кислота, монохлоруксусная кислота, бензойная кислота, сульфоновые кислоты, фосфоновые кислоты, азотная кислота, серная кислота, хлористоводородная (соляная) кислота, йодистоводородная кислота, бромистоводородная кислота, хлорная кислота или фосфорная кислота.The catholyte additionally contains one or more organic or inorganic acids, such as formic acid, acetic acid, monochloroacetic acid, benzoic acid, sulfonic acids, phosphonic acids, nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric (hydrochloric) acid, hydroiodic acid, hydrobromic acid, perchloric acid or phosphoric acid.

Католит также может содержать и другие компоненты. Например, преимущественно органическая сплошная жидкая фаза может содержать, как упоминалось ранее, нейтральный сорастворитель, предпочтительно воду. Количество нейтрального сорастворителя предпочтительно составляет вплоть до примерно 50 мас.%, наиболее предпочтительно от примерно 1 до примерно 20 мас.%. Особенно предпочтительное содержание нейтрального сорастворителя может составлять, например, от примерно 1 до примерно 5 мас.% или от примерно 5 до примерно 10 мас.%. Примеры других необязательных добавок включают стабилизаторы пероксида водорода, эмульгаторы, ингибиторы коррозии, противовспениватели, буферы, усилители проводимости, понизители вязкости и т.д. Примеры стабилизаторов пероксида водорода включают широко используемые для этой цели стабилизаторы, такие как фосфорная кислота, комплексообразующие вещества на основе фосфоновой кислоты, защитные коллоиды типа станната щелочного металла и поглотители радикалов типа пиридинкарбоновых кислот. К примерам комплексообразующих веществ на основе фосфоновой кислоты относятся 1-гидроксиэтилиден-1,1-дифосфоновая кислота, 1-аминоэтан-1,1-дифосфоновая кислота, аминотри(метиленфосфоновая кислота), этилендиаминтетра(метиленфосфоновая кислота), гексаметилендиаминтетра(метиленфосфоновая кислота), диэтилентриаминпента(метиленфосфоновая кислота), диэтилентриамингекса(метиленфосфоновая кислота), 1-аминоалкан-1,1-дифосфоновые кислоты (такие как морфолинметандифосфоновая кислота, н,н-диметиламинодиметилдифосфоновая кислота, аминометилдифосфоновая кислота), продукты их реакции и их соли, предпочтительно соли натрия.The catholyte may also contain other components. For example, a predominantly organic continuous liquid phase may contain, as previously mentioned, a neutral cosolvent, preferably water. The amount of neutral co-solvent is preferably up to about 50 wt.%, Most preferably from about 1 to about 20 wt.%. A particularly preferred neutral co-solvent content may be, for example, from about 1 to about 5 wt.% Or from about 5 to about 10 wt.%. Examples of other optional additives include hydrogen peroxide stabilizers, emulsifiers, corrosion inhibitors, anti-foaming agents, buffers, conductivity enhancers, viscosity reducers, etc. Examples of hydrogen peroxide stabilizers include stabilizers widely used for this purpose, such as phosphoric acid, phosphonic acid complexing agents, alkali metal stannate protective colloids and pyridinecarboxylic acid radical scavengers. Examples of phosphonic acid-based complexing agents include 1-hydroxyethylidene-1,1-diphosphonic acid, 1-aminoethane-1,1-diphosphonic acid, aminotri (methylene phosphonic acid), ethylene diamine tetra (methylene phosphonic acid), hexamethylene diamine tetra (methylene diphosphonate) (methylenephosphonic acid), diethylene triaminex (methylenephosphonic acid), 1-aminoalkane-1,1-diphosphonic acids (such as morpholine methane diphosphonic acid, n, n-dimethylaminodimethyldiphosphonic acid, aminomethyldipho sphonic acid), their reaction products and their salts, preferably sodium salts.

Предпочтительно, чтобы преимущественно органическая жидкая фаза в католите имела вязкость при рабочих условиях ниже примерно 100 мПа·с, более предпочтительно ниже примерно 30 мПа·с, а наиболее предпочтительно ниже примерно 10 мПа·с. Кроме того, из-за опасностей, с которыми сопряжено обращение с, по существу, чистым пероксидом водорода, извлекаемый продукт предпочтительно представляет собой смесь пероксида водорода с водой или низкомолекулярными спиртами, например метанолом. Парциальное давление при 100°С жидких компонентов, которые не составляют часть смеси-продукта, должно предпочтительно быть ниже примерно 10 кПа, более предпочтительно ниже примерно 1 кПа, наиболее предпочтительно ниже 0,1 кПа.Preferably, the predominantly organic liquid phase in the catholyte has a viscosity under operating conditions below about 100 MPa · s, more preferably below about 30 MPa · s, and most preferably below about 10 MPa · s. In addition, due to the dangers associated with handling substantially pure hydrogen peroxide, the product recovered is preferably a mixture of hydrogen peroxide with water or low molecular weight alcohols, for example methanol. The partial pressure at 100 ° C. of the liquid components that do not form part of the product mixture should preferably be below about 10 kPa, more preferably below about 1 kPa, most preferably below 0.1 kPa.

Электрохимическая ячейка может включать в себя только одну камеру для анода и одну для катода или же может дополнительно включать в себя одну или несколько камер в промежутке между ними, например электродиализный пакет, позволяющий осуществлять любой известный электродиализ. Средство для разделения этих камер может представлять собой неселективный физический барьер, например пористую мембрану или диафрагму, или же оно может быть селективно проницаемым для некоторых частиц, таких как катионы или анионы. Также может быть использовано сочетание мембран, такое как биполярные мембраны, позволяющие разделять воду на протоны и гидроксид-ионы. Неселективные барьеры могут быть изготовлены, например, из асбеста, керамики, стекла, полиолефинов, политетрафторэтилена (ПТФЭ), поливинилхлорида (ПВХ) и т.д. Катионселективные мембраны могут быть изготовлены, например, из органических полимеров, таких как ПТФЭ, полистирол, стирол/дивинилбензол или винилпиридин/дивинилбензол, модифицированный кислотными группами, такими как сульфонат, карбоксилат или фосфонат. Анионселективные мембраны могут быть изготовлены, например, из органических полимеров, таких как ПТФЭ, полистирол, стирол/дивинилбензол или винилпиридин/дивинилбензол, модифицированный основными группами, такими как четвертичный аммоний. Биполярные мембраны могут содержать проницаемую для анионов мембрану и проницаемую для катионов мембрану, наслоенные вместе, необязательно - со слоем катализатора между ними. Ионселективные и биполярные мембраны имеются в продаже, например, под товарными знаками Nafion™, Flemium™, Neosepta bipolar®.The electrochemical cell may include only one chamber for the anode and one for the cathode, or may additionally include one or more chambers in between, for example, an electrodialysis package that allows any known electrodialysis. The means for separating these chambers may be a non-selective physical barrier, such as a porous membrane or diaphragm, or it may be selectively permeable to certain particles, such as cations or anions. A combination of membranes, such as bipolar membranes, can be used to separate water into protons and hydroxide ions. Non-selective barriers can be made, for example, from asbestos, ceramics, glass, polyolefins, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl chloride (PVC), etc. Cation selective membranes can be made, for example, from organic polymers such as PTFE, polystyrene, styrene / divinylbenzene or vinylpyridine / divinylbenzene modified with acidic groups such as sulfonate, carboxylate or phosphonate. Anion selective membranes can be made, for example, from organic polymers such as PTFE, polystyrene, styrene / divinylbenzene or vinylpyridine / divinylbenzene modified with basic groups such as quaternary ammonium. Bipolar membranes may contain an anion-permeable membrane and a cation-permeable membrane, layered together, optionally with a catalyst layer between them. Ion-selective and bipolar membranes are commercially available, for example, under the trademarks Nafion ™, Flemium ™, Neosepta bipolar®.

Электролит в катодной камере может содержать одну, две или более жидких фаз. В системе с одной жидкой фазой имеется только преимущественно органическая или преимущественно водная жидкая фаза электролита. В системе с двумя жидкими фазами несплошная фаза может быть эмульгирована или просто смешана в сплошной жидкой фазе. Если имеется более чем одна жидкая фаза, то компоненты в электролите будут распределяться между этими фазами в зависимости от их свойств растворимости. Помимо жидкой фазы или фаз также могут присутствовать газ и/или твердые вещества.The electrolyte in the cathode chamber may contain one, two or more liquid phases. In a system with a single liquid phase, there is only a predominantly organic or predominantly aqueous liquid phase of the electrolyte. In a system with two liquid phases, the non-continuous phase can be emulsified or simply mixed in the continuous liquid phase. If there is more than one liquid phase, then the components in the electrolyte will be distributed between these phases depending on their solubility properties. In addition to the liquid phase or phases, gas and / or solids may also be present.

Температура и давление в катодной камере могут быть такими же, как в анодной камере, или отличающимися от анодной камеры и предпочтительно задаются так, что католит является жидкостью. Высокая температура способствует низкой вязкости, высокой электропроводности и высоким скоростям массопереноса, тогда как низкая температура способствует стабильности пероксида водорода и компонентов в электролите. Обычно температура предпочтительно составляет от примерно 0 до примерно 200°С, более предпочтительно от примерно 40 до примерно 150°С, наиболее предпочтительно от примерно 60 до примерно 100°С. Давление предпочтительно составляет от примерно 10 до примерно 30000 кПа, более предпочтительно от примерно 80 до примерно 2000 кПа, наиболее предпочтительно от примерно 100 до примерно 800 кПа.The temperature and pressure in the cathode chamber may be the same as in the anode chamber, or different from the anode chamber, and is preferably set so that the catholyte is a liquid. High temperature contributes to low viscosity, high electrical conductivity and high mass transfer rates, while low temperature contributes to the stability of hydrogen peroxide and components in the electrolyte. Typically, the temperature is preferably from about 0 to about 200 ° C., more preferably from about 40 to about 150 ° C., most preferably from about 60 to about 100 ° C. The pressure is preferably from about 10 to about 30,000 kPa, more preferably from about 80 to about 2000 kPa, most preferably from about 100 to about 800 kPa.

Реакция одной или более восстановленных форм медиатора и кислорода с образованием пероксида водорода может происходить внутри ячейки или в отдельной емкости или и там, и там, обычно приводя к образованию пероксида водорода в католите и повторному образованию медиатора для участия в другом реакционном цикле. Обычно к электролиту, содержащему восстановленный медиатор, добавляют молекулярный кислород, но часть его может происходить из кислорода, образовавшегося в ходе анодных реакций и перенесенного через электролит в ячейке, необязательно - через мембрану, или выделенного в виде отдельного потока и повторно введенного в ячейку. Молекулярный кислород может быть добавлен растворенным в жидкости или в виде любого кислородсодержащего газа, такого как воздух, обогащенный кислородом воздух или, по существу, чистый кислород. Добавление по меньшей мере части кислорода в виде газа непосредственно в ячейку обеспечивает преимущество улучшения перемешивания, а также может создавать газлифт для переноса электролита из ячейки, альтернативно вносить вклад в отгонку пероксида водорода из электролита. Добавление кислорода непосредственно в ячейку может позволить завершить полный каталитический цикл медиатора внутри ячейки, по существу, устраняя необходимость выводить поток, содержащий восстановленную форму медиатора, и подавать поток, содержащий медиатор. Реакции, в результате которых образуется пероксид водорода, облегчаются благодаря присутствию протонов, которые могут происходить из любого доступного источника, такого как вода, гидрохинон, протоны, образующиеся на аноде, или любая кислота, которая была добавлена к электролиту. Если реакция с кислородом происходит в отдельной емкости, условия в ней типа температуры, давления и т.д. могут быть такими же самыми, как и преобладающие в ячейке, или отличающимися от них. Температура предпочтительно составляет от окружающей, например, примерно 20°С, до верхнего предела, определяемого либо воспламеняемостью растворителя, либо стабильностью пероксида водорода, например, до примерно 70°С. Давление предпочтительно составляет от примерно атмосферного до примерно 5 бар манометрического давления. Обычно, предпочтительным является использование барботажной колонны либо насадочной, либо с ситчатыми тарелками. Кислородсодержащий газ подают предпочтительно снизу, а жидкость протекает либо снизу вверх, либо сверху вниз.The reaction of one or more reduced forms of the mediator and oxygen with the formation of hydrogen peroxide can occur inside the cell or in a separate container or both, and there, usually leading to the formation of hydrogen peroxide in catholyte and the re-formation of the mediator to participate in another reaction cycle. Typically, molecular oxygen is added to the electrolyte containing the reduced mediator, but part of it can come from oxygen generated during anode reactions and transferred through the electrolyte in the cell, optionally through a membrane, or isolated as a separate stream and reintroduced into the cell. Molecular oxygen can be added dissolved in a liquid or in the form of any oxygen-containing gas, such as air, oxygen-enriched air or essentially pure oxygen. Adding at least part of the oxygen in the form of gas directly to the cell provides the advantage of improving mixing, and can also create a gas lift for transferring electrolyte from the cell, alternatively contributing to the distillation of hydrogen peroxide from the electrolyte. Adding oxygen directly to the cell may allow the complete catalytic cycle of the mediator to complete within the cell, essentially eliminating the need to withdraw the stream containing the reduced form of the mediator and to supply the stream containing the mediator. The reactions resulting in the formation of hydrogen peroxide are facilitated by the presence of protons, which can come from any available source, such as water, hydroquinone, protons formed at the anode, or any acid that has been added to the electrolyte. If the reaction with oxygen occurs in a separate container, conditions in it such as temperature, pressure, etc. may be the same as or prevailing in the cell, or different from them. The temperature is preferably from ambient, for example, about 20 ° C., to an upper limit determined by either the flammability of the solvent or the stability of hydrogen peroxide, for example, to about 70 ° C. The pressure is preferably from about atmospheric to about 5 bar gauge pressure. Usually, it is preferable to use a bubble column either packed or with sieve plates. The oxygen-containing gas is preferably supplied from below, and the liquid flows either from bottom to top or from top to bottom.

Для отделения пероксида водорода от электролита могут быть использованы различные способы, такие как выпаривание, экстракция или мембранные технологии. Такое разделение может происходить в ячейке, в отдельном оборудовании, из которого оставшийся электролит затем рециркулируют назад в ячейку, или и там, и там.Various methods can be used to separate hydrogen peroxide from the electrolyte, such as evaporation, extraction, or membrane techniques. Such separation can occur in the cell, in separate equipment, from which the remaining electrolyte is then recycled back to the cell, or both.

В одном варианте осуществления пероксид водорода выпаривают из преимущественно органической фазы электролита, предпочтительно вместе с водой и, необязательно, с другими летучими веществами, которые могут присутствовать. Выпаривание может осуществляться непосредственно из ячейки или из отдельной емкости, например, путем отгонки с любым газом, например кислородом, воздухом или азотом, либо путем дистилляции при атмосферном давлении или давлении ниже атмосферного. Низкое давление паров упомянутой по меньшей мере частично органической соли и других органических веществ, необязательно присутствующих в электролите и не являющихся частью желательной смеси-продукта, содействует применению технологий выпаривания для отделения пероксида водорода. В этом варианте осуществления возможно получить содержащий пероксид водорода поток продукта высокой чистоты без сложных стадий очистки.In one embodiment, hydrogen peroxide is evaporated from the predominantly organic phase of the electrolyte, preferably together with water and, optionally, with other volatile substances that may be present. Evaporation can be carried out directly from the cell or from a separate container, for example, by distillation with any gas, for example oxygen, air or nitrogen, or by distillation at atmospheric pressure or below atmospheric pressure. The low vapor pressure of the at least partially organic salt and other organic substances optionally present in the electrolyte and not part of the desired product mixture promotes the use of evaporation techniques to separate hydrogen peroxide. In this embodiment, it is possible to obtain a high purity product stream containing hydrogen peroxide without complex purification steps.

В другом варианте осуществления пероксид водорода экстрагируют из преимущественно органической жидкой фазы любым подходящим растворителем, таким как вода или метанол. Могут быть применены все широко используемые технологии экстракции, такие как в одном или нескольких смесителях-отстойниках, колоннах с ситчатыми тарелками, колоннах со слоем насадки. Если используется электролит, также содержащий преимущественно водную фазу, то пероксид водорода будет автоматически обогащаться в этой фазе, которая может быть извлечена в качестве продукта, альтернативно подвергнута дистилляции или другому виду очистки и рециркулирована обратно в ячейку.In another embodiment, hydrogen peroxide is extracted from the predominantly organic liquid phase with any suitable solvent, such as water or methanol. All widely used extraction technologies can be applied, such as in one or more settling mixers, columns with sieve plates, columns with a packing layer. If an electrolyte is used that also contains a predominantly aqueous phase, then hydrogen peroxide will automatically be enriched in this phase, which can be recovered as a product, alternatively distilled or otherwise purified and recycled back to the cell.

В еще одном варианте осуществления используется мембранное разделение. Примеры таких способов включают мембранную экстракцию, первапорацию (испарение через полупроницаемую мембрану) и нанофильтрацию.In yet another embodiment, membrane separation is used. Examples of such methods include membrane extraction, pervaporation (evaporation through a semipermeable membrane), and nanofiltration.

В еще одном варианте осуществления медиатор и его восстановленные формы растворены в преимущественно водной фазе. Если окисление восстановленных форм медиатора также происходит в преимущественно водной фазе, то пероксид водорода может быть отделен путем, например, дистилляции. Другой вариант состоит в том, чтобы сохранять преимущественно водную фазу, по существу, свободной от кислорода и перевести, например, путем экстракции восстановленные формы медиатора в преимущественно органическую фазу и затем осуществить окисление.In yet another embodiment, the mediator and its reduced forms are dissolved in a predominantly aqueous phase. If the oxidation of the reduced forms of the mediator also occurs in the predominantly aqueous phase, then hydrogen peroxide can be separated by, for example, distillation. Another option is to keep the predominantly aqueous phase essentially free of oxygen and transfer, for example, by extraction the reduced forms of the mediator into the predominantly organic phase and then carry out the oxidation.

В еще одном варианте осуществления пероксид водорода не извлекают из электролита, а используют непосредственно в качестве реагента при производстве других химикатов. Электролит, оставшийся после таких реакций, может затем быть рециркулирован в ячейку.In yet another embodiment, hydrogen peroxide is not recovered from the electrolyte, but used directly as a reagent in the production of other chemicals. The electrolyte remaining after such reactions can then be recycled to the cell.

Такое производство пероксида водорода предпочтительно осуществляют непрерывно, либо с протеканием электролита через ячейку, либо при непрерывном выделении пероксида водорода из электролита в ячейке. Предпочтительно обеспечить надлежащее перемешивание, особенно вокруг катода, например, продувки газом, механического перемешивания, циркуляции электролита или их комбинаций. Продувку газом предпочтительно проводят кислородом или кислородсодержащим газом, таким как воздух. В ячейке с, по существу, вертикальным потоком продувка газом может также создавать газлифт, усиливающий перенос электролита через ячейку, альтернативно отгонке пероксида водорода, необязательно вместе с водой или любым другим компонентом, который при температуре и давлении эксплуатации является летучим.Such production of hydrogen peroxide is preferably carried out continuously, either with the flow of electrolyte through the cell, or with the continuous release of hydrogen peroxide from the electrolyte in the cell. It is preferable to ensure proper mixing, especially around the cathode, for example, gas purging, mechanical stirring, electrolyte circulation, or combinations thereof. The gas purge is preferably carried out with oxygen or an oxygen-containing gas such as air. In a cell with a substantially vertical flow, gas purge can also create a gas lift that enhances the transfer of electrolyte through the cell, alternatively by distilling off hydrogen peroxide, optionally together with water or any other component that is volatile at operating temperature and pressure.

Чтобы избежать вредного накопления примесей из исходных химикатов или продуктов разложения, образующихся в результате побочных реакций, в некоторых случаях может оказаться целесообразным выпускать из системы часть электролита и/или очистка различными способами, как то электродиализ, адсорбция, перекристаллизация, осаждение, промывка, ионный обмен, выпаривание или отгонка с газом-носителем, реакционная регенерация с кислотно/основной или восстановительно/окислительной стадиями.In order to avoid harmful accumulation of impurities from the starting chemicals or decomposition products resulting from side reactions, in some cases it may be appropriate to discharge part of the electrolyte from the system and / or purify it in various ways, such as electrodialysis, adsorption, recrystallization, precipitation, washing, ion exchange , evaporation or stripping with a carrier gas, reactive regeneration with acid / base or reduction / oxidation stages.

Поскольку в результате побочной реакции на катоде может образовываться газообразный водород, может оказаться полезным наличие газоанализатора и устройства для продувки инертным газом.Since hydrogen gas may form at the cathode as a result of a side reaction, it may be useful to have a gas analyzer and an inert gas purge device.

Температура может регулироваться любыми подходящими средствами, например, при помощи теплообменников при любом соответствующем потоке. Охлаждение также может быть осуществлено путем выпаривания, например, в электрохимической ячейке с последующей конденсацией пара. Если охлаждение выпариванием осуществляется при помощи воды, может быть целесообразным добавлять воду специально с этой целью.The temperature can be controlled by any suitable means, for example, using heat exchangers at any appropriate flow. Cooling can also be carried out by evaporation, for example, in an electrochemical cell, followed by condensation of steam. If cooling by evaporation is carried out using water, it may be appropriate to add water specifically for this purpose.

Анод может быть изготовлен из любого пригодного материала, например титана, титанового сплава. Анод предпочтительно имеет покрытие, например, из RuO2/TiO2, RuO2/TiO2/IrO2 или Pt/Ir. Особенно предпочтительными анодами являются DSA™ (размеростабильный анод).The anode may be made of any suitable material, for example titanium, a titanium alloy. The anode is preferably coated, for example, from RuO 2 / TiO 2 , RuO 2 / TiO 2 / IrO 2 or Pt / Ir. Particularly preferred anodes are DSA ™ (dimensionally stable anode).

Могут быть использованы различные виды катодов. Предпочтительно, чтобы катод был изготовлен из материала, подавляющего паразитные реакции, такие как выделение водорода, прямое восстановление кислорода до воды и разложение органического медиатора, ионной жидкости или образовавшегося пероксида водорода. В большинстве случаев предпочтительно использовать катод с гидрофобной поверхностью. Примеры материалов для изготовления катода включают материалы на основе углерода, такие как легированный бором алмаз, графит, стеклоуглерод, высокоориентированный пиролитический графит, сетчатый углерод и проводящие полимеры. Примеры проводящих полимеров включают поли(пара)фенилен, полипиррол, политиофен и полианилин. Проводящий полимер может быть нанесен в виде тонкой пленки с предпочтительной толщиной от примерно 0,1 до примерно 100 мкм на любую подходящую подложку, такую как Pt или нержавеющая сталь. Такая полимерная пленка может быть получена путем химического синтеза или предпочтительно электросинтеза. Конкретным примером является катод, полученный путем электросинтеза пленки полипиррола на нержавеющей стали. Другие примеры материалов катода включают металлы, такие как железо, сталь, свинец, никель, титан или платина, или проводящие оксиды металлов, такие как PbO2, NiO2, Ti4O7, NiCo2O4 или RuO2. Другие примеры включают электрокаталитические катоды из материала типа титана или титанового сплава, покрытого, полностью или частично, частицами благородных металлов, таких как золото, платина, палладий, или с привитыми катализаторами для антрахинонов.Various types of cathodes may be used. Preferably, the cathode is made of a material that suppresses parasitic reactions, such as hydrogen evolution, direct reduction of oxygen to water, and decomposition of an organic mediator, ionic liquid, or hydrogen peroxide formed. In most cases, it is preferable to use a cathode with a hydrophobic surface. Examples of cathode materials include carbon based materials such as boron-doped diamond, graphite, glassy carbon, highly oriented pyrolytic graphite, carbon net and conductive polymers. Examples of conductive polymers include poly (para) phenylene, polypyrrole, polythiophene and polyaniline. The conductive polymer may be applied as a thin film with a preferred thickness of from about 0.1 to about 100 microns on any suitable substrate, such as Pt or stainless steel. Such a polymer film can be obtained by chemical synthesis or preferably electrosynthesis. A specific example is the cathode obtained by electrosynthesis of a polypyrrole film on stainless steel. Other examples of cathode materials include metals such as iron, steel, lead, nickel, titanium or platinum, or conductive metal oxides such as PbO 2 , NiO 2 , Ti 4 O 7 , NiCo 2 O 4 or RuO 2 . Other examples include electrocatalytic cathodes made of a material such as titanium or a titanium alloy coated, in whole or in part, with particles of noble metals such as gold, platinum, palladium, or grafted catalysts for anthraquinones.

Катод и анод могут быть изготовлены с различными геометрическими формами и могут, например, принимать вид плоского листа или пластины, искривленной (неплоской) поверхности, криволинейной поверхности, перфорированной пластины, тканой проволочной сетки, растянутого сетчатого листа, стержня или трубки. Однако предпочтительно анод и катод имеют плоскую форму, наиболее предпочтительно в виде листа, сетки или пластины.The cathode and anode can be made with various geometric shapes and can, for example, take the form of a flat sheet or plate, a curved (non-planar) surface, a curved surface, a perforated plate, a woven wire mesh, a stretched mesh sheet, rod or tube. However, preferably the anode and cathode are flat in shape, most preferably in the form of a sheet, grid or plate.

Может быть использована любая традиционная конструкция ячейки, предпочтительно с наименьшим возможным расстоянием между анодом и катодом. Разделенная ячейка может, например, относиться к типу ячеек «с нулевым зазором», в которых по меньшей мере один из электродов прижат к мембране, разделяющей ячейку.Any conventional cell design may be used, preferably with the smallest possible distance between the anode and cathode. The divided cell may, for example, be of the “zero gap” type of cells in which at least one of the electrodes is pressed against the membrane separating the cell.

Обычная производственная установка включает в себя множество ячеек для достижения нужной производительности. Эти ячейки могут быть скомпонованы по монополярному или биполярному принципу в электролизер в соответствии с любой традиционной конструкцией.A typical production plant includes many cells to achieve the desired performance. These cells can be arranged in a monopolar or bipolar manner in an electrolytic cell in accordance with any conventional construction.

Далее будут дополнительно описаны некоторые варианты осуществления изобретения в связи с прилагаемыми схематичными чертежами. Однако объем изобретения этими вариантами осуществления не ограничивается. На фиг.1 показана принципиальная схема катодной части способа, а на фиг.2, 3 и 4 приведены схематичные конструкции различных электрохимических ячеек.Next, some embodiments of the invention will be further described in connection with the accompanying schematic drawings. However, the scope of the invention is not limited to these embodiments. Figure 1 shows a schematic diagram of the cathode part of the method, and figure 2, 3 and 4 shows schematic designs of various electrochemical cells.

Обращаясь к фиг.1, электрохимическое восстановление медиатора происходит в преимущественно органической сплошной фазе электролита в камере 1 ячейки, которая может быть катодной камерой или однокамерной ячейкой. Исходный поток 14 снабжает камеру 1 ячейки любыми веществами, которые расходуются в этом процессе, такими как кислород, или отводятся в любом нерециркулируемом потоке продукта, такими как вода или инертный газ, такой как азот. Если присутствует кислород, то в камере 1 ячейки также может происходить реакция между восстановленной формой или формами медиатора и кислородом с образованием пероксида водорода или пероксида щелочного металла. Если эта реакция протекает в достаточной большой степени, то достаточно отводить пероксид водорода вместе с, например, водой в виде потока 6. Если реакция с образованием пероксида водорода или пероксида щелочного металла идет не до конца, то электролит выводят и эту реакцию завершают до нужной степени в реакторе 2 окисления, куда может быть подан дополнительный кислород 15. Образующийся в результате поток 7 содержит пероксид водорода или пероксид щелочного металла в одной или нескольких формах в зависимости от используемых условий, например, в виде пара или растворенный в жидкой фазе. Если имеется и газовая, и по меньшей мере одна жидкая фаза, то их направляют в газожидкостный сепаратор 3, из которого газовый поток 8 направляют в конденсатор 4. Продукт пероксид водорода 10 отводят из конденсатора 4, а оставшийся газ 13, например кислород, водяной пар и другие необязательные компоненты, либо рециркулируют в любое место, где может быть использован кислород, как то камера 1 ячейки или реактор 2 окисления, либо выпускают через 16. Поток 9 жидкости из сепаратора 3 рециркулируют в камеру 1 ячейки. Если поток 9 жидкости содержит пероксид водорода, то сначала его направляют в сепаратор 5, который может представлять собой, например, установку экстракции или установку мембранного разделения. Здесь этот поток 5 разделяется на поток 11 продукта 11, содержащий пероксид водорода, и рециркулируемый поток 12, содержащий преимущественно органический электролит.Turning to FIG. 1, the electrochemical reduction of the mediator occurs in a predominantly organic continuous phase of the electrolyte in the cell chamber 1, which may be a cathode chamber or a single-chamber cell. The feed stream 14 supplies the cell chamber 1 with any substances that are consumed in this process, such as oxygen, or are discharged in any non-recycle product stream, such as water or an inert gas, such as nitrogen. If oxygen is present, then a reaction between the reduced form or forms of the mediator and oxygen can also occur in the cell chamber 1 with the formation of hydrogen peroxide or alkali metal peroxide. If this reaction proceeds to a sufficiently large degree, then it is sufficient to remove hydrogen peroxide together with, for example, water in the form of stream 6. If the reaction with the formation of hydrogen peroxide or alkali metal peroxide does not proceed to the end, then the electrolyte is withdrawn and this reaction is completed to the desired degree in the oxidation reactor 2, to which additional oxygen can be supplied 15. The resulting stream 7 contains hydrogen peroxide or alkali metal peroxide in one or more forms depending on the conditions used, for example , As a vapor or dissolved in a liquid phase. If there is both a gas and at least one liquid phase, they are sent to a gas-liquid separator 3, from which the gas stream 8 is sent to the condenser 4. The product hydrogen peroxide 10 is removed from the condenser 4, and the remaining gas 13, for example oxygen, water vapor and other optional components, either recycle to any place where oxygen can be used, such as the cell chamber 1 or the oxidation reactor 2, or discharged through 16. The liquid stream 9 from the separator 3 is recycled to the cell chamber 1. If the liquid stream 9 contains hydrogen peroxide, then it is first sent to a separator 5, which may be, for example, an extraction unit or a membrane separation unit. Here, this stream 5 is separated into a stream 11 of a product 11 containing hydrogen peroxide and a recycle stream 12 containing a predominantly organic electrolyte.

Различные установки, показанные на фиг.1, могут быть скомбинированы множеством способов. Например, кислород может быть введен в камеру 1 ячейки различными способами, например, отдельно или вместе с любым жидким исходным или рециркулируемым потоком. Кислород может быть также введен в некотором месте выше электродов с целью разделения электрохимических реакций и окисления. Реактор 2 окисления и газожидкостный сепаратор 3 могут быть совмещены, например, путем использования барботажной колонны. Если условия эксплуатации заданы так, что газ не образуется, и из камеры 1 ячейки отводится только жидкая фаза, то газожидкостный сепаратор 3 и конденсатор 4 могут быть исключены.The various settings shown in FIG. 1 can be combined in a variety of ways. For example, oxygen can be introduced into the cell chamber 1 in various ways, for example, separately or together with any liquid feed or recycle stream. Oxygen can also be introduced at a location above the electrodes to separate electrochemical reactions and oxidation. The oxidation reactor 2 and the gas-liquid separator 3 can be combined, for example, by using a bubble column. If the operating conditions are set so that gas is not formed, and only the liquid phase is discharged from the cell chamber 1, then the gas-liquid separator 3 and the condenser 4 can be excluded.

Обращаясь к фиг.2, электрохимическая ячейка, функционирующая согласно изобретению, включает в себя анод 21 в анодной камере 23 и катод 22 в катодной камере 24. Эта ячейка также включает в себя среднюю камеру 25, отделенную от анодной и катодной камер 23 и 24 ионоселективными мембранами 26 и 27. В одном варианте осуществления мембрана 26 является проницаемой для анионов, а мембрана 27 - проницаемой для катионов. В другом варианте осуществления обе мембраны 26 и 27 являются проницаемыми для катионов. В катодной камере 24 содержится католит, содержащий органический медиатор согласно изобретению. Кислородсодержащий газ подают с помощью входящего потока 28 в катодную камеру 24, а выходящий поток 29, содержащий пероксид водорода и/или восстановленный медиатор, направляют в установку 30, где происходит дальнейшая переработка. Такая дальнейшая переработка может включать в себя окисление восстановленного медиатора с получением пероксида водорода и его отделение, приводящее к образованию потока 31 продукта, содержащего пероксид водорода и, необязательно, другие вещества, такие как вода, которые могут оставаться в конечном продукте, и другие, которые могут быть выделены позже, и рециркулируемого потока 32, содержащего, например, католит с органическим медиатором, полученным при окислении его восстановленных форм. В анодную камеру 23 подают входящий поток 33, который может иметь различные составы в зависимости от желательных реакций. Анолит, содержащий продукты реакции, выводят в виде выходящего потока 34 в сепаратор 35 продукта, из которого отводят продукт 36, а оставшийся электролит 37 рециркулируют в анодную камеру 23. В среднюю камеру 25 подают входящий поток 38 с предпочтительно водным раствором, состав которого зависит от желательных общих реакций. Выходящий из средней камеры 25 поток 39 может быть рециркулирован или использован любым другим образом.Turning to FIG. 2, an electrochemical cell operating in accordance with the invention includes an anode 21 in an anode chamber 23 and a cathode 22 in a cathode chamber 24. This cell also includes a middle chamber 25 separated from the anode and cathode chambers 23 and 24 by ion-selective membranes 26 and 27. In one embodiment, membrane 26 is permeable to anions, and membrane 27 is permeable to cations. In another embodiment, both membranes 26 and 27 are cation permeable. In the cathode chamber 24 contains catholyte containing the organic mediator according to the invention. Oxygen-containing gas is supplied via the inlet stream 28 to the cathode chamber 24, and the outlet stream 29 containing hydrogen peroxide and / or the reduced mediator is sent to the installation 30, where further processing takes place. Such further processing may include the oxidation of the reduced mediator to produce hydrogen peroxide and its separation, leading to the formation of a product stream 31 containing hydrogen peroxide and, optionally, other substances, such as water, that may remain in the final product, and others that can be isolated later, and recirculated stream 32, containing, for example, catholyte with an organic mediator obtained by the oxidation of its reduced forms. In the anode chamber 23 serves the input stream 33, which may have different compositions depending on the desired reactions. An anolyte containing reaction products is discharged as an effluent 34 to a product separator 35 from which product 36 is withdrawn, and the remaining electrolyte 37 is recycled to the anode chamber 23. Into the middle chamber 25 is an inlet stream 38 with preferably an aqueous solution, the composition of which depends on desired general reactions. The stream 39 exiting the middle chamber 25 may be recycled or used in any other way.

Если ячейка по фиг.2 используется в варианте осуществления, в котором мембрана 26 является анионселективной, мембрана 27 является катионселективной, а хлорид подвергается реакции на аноде с образованием хлора, который может быть гидролизован далее с образованием хлорноватистой кислоты и в итоге хлората, то анолит предпочтительно является водным раствором, содержащим NaCl, NaClO3 или соответствующие соли калия KCl или KClO3 и, необязательно, буфер, такой как хромат, дихромат или любая другая подходящая соль. Поток 34 продукта-анолита отводят и направляют в сепаратор 35 продукта, где хлорат щелочного металла кристаллизуют и отводят 36, а оставшийся электролит рециркулируют 37 в анодную камеру 23. Также возможно предусмотреть установку (не показана), например хлоратный реактор, для осуществления дальнейших реакций с образованием хлората диспропорционированием хлорноватистой кислоты в отводимом потоке 34 продукта до кристаллизации. В одном из вариантов в среднюю камеру 39 предпочтительно подают с помощью входящего потока 38 растворитель типа воды, содержащий HCl или NaCl, и хлорид-ионы переносятся сквозь анионселективную мембрану 26 в анодную камеру 23, где они расходуются на аноде 21 с образованием хлора на первой стадии. Затем в катодную камеру 23 подают Na+ или K+ с помощью входящего потока 33, например, в форме NaOH или KOH. В другом варианте в среднюю камеру с помощью входящего потока 38 подают OH-, например, в виде NaOH или KOH, гидроксид-ионы будут переноситься сквозь анионселективную мембрану 26, а затем с помощью входящего потока 33 подают хлорид-ионы, например, в виде NaCl. В любом из этих вариантов катионы, обычно Na+ или H+, переносятся из средней камеры 25 через катионселективную мембрану 27 в катодную камеру 24.If the cell of FIG. 2 is used in an embodiment in which the membrane 26 is anion selective, the membrane 27 is cation selective and the chloride is reacted at the anode to form chlorine, which can be hydrolyzed further to produce hypochlorous acid and eventually chlorate, then the anolyte is preferably is an aqueous solution containing NaCl, NaClO 3 or the corresponding potassium salts KCl or KClO 3 and, optionally, a buffer, such as chromate, dichromate or any other suitable salt. Anolyte product stream 34 is diverted and sent to a product separator 35, where the alkali metal chlorate is crystallized and 36 is withdrawn, and the remaining electrolyte is recycled 37 to the anode chamber 23. It is also possible to provide a plant (not shown), for example, a chlorate reactor, for further reactions with the formation of chlorate by disproportionation of hypochlorous acid in the product effluent 34 prior to crystallization. In one embodiment, a water-type solvent containing HCl or NaCl is preferably supplied to the middle chamber 39 through an inlet stream 38, and chloride ions are transferred through the anion-selective membrane 26 to the anode chamber 23, where they are consumed on the anode 21 to form chlorine in the first stage . Then, Na + or K + is supplied to the cathode chamber 23 by the inlet stream 33, for example, in the form of NaOH or KOH. In another embodiment, OH - , for example, in the form of NaOH or KOH, is fed into the middle chamber through the inlet stream 38, hydroxide ions will be transported through the anion-selective membrane 26, and then, through the inlet stream 33, chloride ions, for example, in the form of NaCl . In any of these embodiments, cations, typically Na + or H + , are transferred from the middle chamber 25 through the cation selective membrane 27 to the cathode chamber 24.

Обращаясь к фиг.3, электрохимическая ячейка, функционирующая согласно изобретению, включает в себя анод 21 в анодной камере 23 и катод 22 в катодной камере 24. Однако в отличие от ячейки по фиг.2 здесь имеется только одна ионоселективная мембрана 27, которая предпочтительно является катионселективной, а средняя камера отсутствует. Во всех других отношениях эта ячейка идентична ячейке по фиг.2, к описанию которой отсылается читатель.Turning to FIG. 3, an electrochemical cell operating according to the invention includes an anode 21 in an anode chamber 23 and a cathode 22 in a cathode chamber 24. However, unlike the cell in FIG. 2, there is only one ion-selective membrane 27, which is preferably cation selective, and the middle chamber is absent. In all other respects, this cell is identical to the cell of FIG. 2, to the description of which the reader is referred.

Если ячейка по фиг.3 снабжена катионселективной мембраной 27 и используется в варианте осуществления, в котором хлорид реагирует на аноде 21 с образованием хлора, который гидролизуется далее с образованием хлората, то анолит предпочтительно является водным раствором, содержащим NaCl, NaClO3 или соответствующие соли калия KCl или KClO3 и буфер, такой как хромат, дихромат или любая другая подходящая соль. NaCl или KCl подают в анодную камеру 23 с помощью входящего потока 33, при этом катионы, такие как Na+ или H+, переносятся сквозь мембрану 27 в катодную камеру 24. Чтобы компенсировать убыль Na+ или K+ через мембрану 27 и нейтрализовать H+, образующийся в ходе анодных реакций, может оказаться целесообразным добавить в любое подходящее место некоторое количество NaOH или KOH, например, во входящий поток 33 или рециркулируемый поток 37. Во всех остальных отношениях, таких как манипулирование потоком 34 продукта и рециркулируемым потоком 37, функционирование эквивалентно соответствующему варианту осуществления, реализованному в ячейке по фиг. 2, к описанию которой отсылается читатель.If the cell of FIG. 3 is provided with a cation selective membrane 27 and is used in an embodiment in which chloride reacts on anode 21 to produce chlorine, which then hydrolyzes to form chlorate, then the anolyte is preferably an aqueous solution containing NaCl, NaClO 3 or the corresponding potassium salts KCl or KClO 3 and a buffer such as chromate, dichromate or any other suitable salt. NaCl or KCl is fed into the anode chamber 23 by an inlet stream 33, while cations such as Na + or H + are transferred through the membrane 27 to the cathode chamber 24. To compensate for the decrease in Na + or K + through the membrane 27 and neutralize H + generated during anodic reactions, it may be appropriate to add a certain amount of NaOH or KOH to any suitable place, for example, to the inlet stream 33 or the recycle stream 37. In all other respects, such as the manipulation of the product stream 34 and the recycle stream 37, the functioning of the equiv corresponding valence embodiment is implemented in a cell of FIG. 2, to the description of which the reader is referred.

Обращаясь к фиг.4, электрохимическая ячейка, функционирующая согласно изобретению, включает в себя анод 21 в анодной камере 23 и катод 22 в катодной камере 24. Однако в отличие от ячейки по фиг.2 средняя камера здесь заменена биполярной мембраной 40, разделяющей камеры 23 и 24 ячейки. Биполярная мембрана 40 включает анионселективную мембрану 26 и катионселективную мембрану 27, наслоенные вместе с двух сторон слоя 45 катализатора. Вода из анолита проходит в слой катализатора, где она расщепляется на протоны, проходящие в катодную камеру 24, и гидроксид-ионы, проходящие в анодную камеру 23. Во всех остальных отношениях данная ячейка идентична ячейкам по фиг.2 и 3, к описанию которых отсылается читатель.Referring to FIG. 4, an electrochemical cell operating according to the invention includes an anode 21 in an anode chamber 23 and a cathode 22 in a cathode chamber 24. However, unlike the cell in FIG. 2, the middle chamber is replaced by a bipolar membrane 40 separating the chambers 23 and 24 cells. The bipolar membrane 40 includes an anion selective membrane 26 and a cation selective membrane 27 laminated together on both sides of the catalyst layer 45. Water from the anolyte passes into the catalyst layer, where it splits into protons passing into the cathode chamber 24, and hydroxide ions passing into the anode chamber 23. In all other respects, this cell is identical to the cells of FIGS. 2 and 3, the description of which is referred to reader.

Если ячейка по фиг.4 используется в варианте осуществления, в котором хлорид реагирует на аноде 21 с образованием хлора, который подвергается реакции далее в хлорат, то анолит предпочтительно является водным раствором, содержащим NaCl, NaClO3 или соответствующие соли калия KCl или KClO3 и буфер, такой как хромат, дихромат или любая другая подходящая соль. NaCl или KCl подают в анодную камеру 23 с помощью входящего потока 33. Внутри биполярной мембраны вода расщепляется на протоны и гидроксид-ионы. Протоны перемещаются в катодную камеру 24 и содействуют окислению восстановленного медиатора с образованием пероксида водорода, а гидроксид-ионы перемещаются в анодную камеру 23, содействуя гидролизу хлора. Во всех остальных отношениях, таких как манипулирование потоком 34 продукта и рециркулируемым потоком 37, функционирование эквивалентно соответствующему варианту осуществления, реализованному в ячейке по фиг.2, к описанию которой отсылается читатель.If the cell of FIG. 4 is used in an embodiment in which chloride reacts on anode 21 to form chlorine, which then undergoes further reaction to chlorate, then the anolyte is preferably an aqueous solution containing NaCl, NaClO 3 or the corresponding potassium salts KCl or KClO 3 and a buffer such as chromate, dichromate or any other suitable salt. NaCl or KCl is fed into the anode chamber 23 by an inlet stream 33. Inside the bipolar membrane, water is split into protons and hydroxide ions. Protons move into the cathode chamber 24 and assist in the oxidation of the reduced mediator to form hydrogen peroxide, and hydroxide ions move into the anode chamber 23, facilitating the hydrolysis of chlorine. In all other respects, such as manipulating the product stream 34 and the recycled stream 37, the operation is equivalent to the corresponding embodiment implemented in the cell of FIG. 2, to the description of which the reader is referred.

Во всех вариантах осуществления, описанных со ссылкой на фиг.2-4, катодный процесс может быть идентичным, то есть заключаться в восстановлении медиатора на катоде 22 и переносе катионов типа Na+ или H+ из средней камеры 25 или анодной камеры 23 через катионселективную мембрану 27.In all the embodiments described with reference to FIGS. 2-4, the cathodic process can be identical, that is, to restore the mediator on the cathode 22 and transfer cations of the Na + or H + type from the middle chamber 25 or the anode chamber 23 through the cation selective membrane 27.

Далее изобретение будет дополнительно описано с помощью следующего примера. Если не указано иное, все доли и процентные содержания выражаются как доли и проценты по массе.The invention will now be further described using the following example. Unless otherwise indicated, all proportions and percentages are expressed as fractions and percentages by weight.

ПримерExample

Раствор, содержащий 50 мл ионной жидкости 1-бутил-3-метилимидазолий гексафторфосфата [BMIM][HFP] с 0,8 г 2-этил-9,10-антрахинона (EAQ), залили в катодную камеру небольшого реактора. Этот раствор в течение 30 мин продували насыщенным водой газообразным азотом для растворения газов в растворе и для насыщения раствора водой до расчетного содержания примерно 3-5 мас.%. Поверх органической фазы добавили водную фазу из 40 мл 0,5М H2SO4 для подачи протонов. Катод в виде круглой платиновой сетки диаметром 3 см поместили в органическую фазу, а анод из платиновой сетки поместили в отдельную камеру, содержащую 10 мМ водный раствор NaOH. Анодная и катодная камеры были разделены неселективной керамической мембраной (диафрагмой). Католит перемешивали при помощи магнитного стержня, расположенного в органической фазе в катодной камере. Для контроля катодного потенциала в катодной камере недалеко от катода поместили каломелевый электрод сравнения. В анодной камере содержался водный раствор 150 г/л NaCl и 10 г/л дихромата натрия. При температуре 68°С между катодом и анодом пропустили ток 0,2 А. В ходе этого эксперимента в анолит добавили несколько капель NaOH (1М) с целью поддержания рН между 6 и 7. В катодной камере образовывался пероксид водорода. В анодной камере хлорид окислялся до хлора, который в итоге образовывал хлорат. Через 20 минут эксперимент завершили и вычислили выход по току для образования хлората, составивший 59%.A solution containing 50 ml of ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate [BMIM] [HFP] with 0.8 g of 2-ethyl-9,10-anthraquinone (EAQ) was poured into the cathode chamber of a small reactor. This solution was purged with nitrogen gas saturated with water for 30 minutes to dissolve the gases in the solution and to saturate the solution with water to a calculated content of about 3-5 wt.%. An aqueous phase of 40 ml of 0.5 M H 2 SO 4 was added over the organic phase to supply protons. A cathode in the form of a circular platinum network with a diameter of 3 cm was placed in the organic phase, and the anode of the platinum network was placed in a separate chamber containing a 10 mM aqueous NaOH solution. The anode and cathode chambers were separated by a non-selective ceramic membrane (diaphragm). The catholyte was mixed using a magnetic rod located in the organic phase in the cathode chamber. To control the cathode potential, a calomel reference electrode was placed in the cathode chamber near the cathode. The anode chamber contained an aqueous solution of 150 g / l NaCl and 10 g / l sodium dichromate. At a temperature of 68 ° C, a current of 0.2 A was passed between the cathode and anode. During this experiment, a few drops of NaOH (1 M) were added to the anolyte to maintain a pH between 6 and 7. Hydrogen peroxide was formed in the cathode chamber. In the anode chamber, chloride was oxidized to chlorine, which eventually formed chlorate. After 20 minutes, the experiment was completed and the current efficiency was calculated for the formation of chlorate, which amounted to 59%.

Claims (19)

1. Способ производства хлората щелочного металла, включающий в себя:
обеспечение электрохимической ячейки, содержащей анод и катод в отдельных анодной и катодной камерах;
контактирование катода с электролитом, содержащим по меньшей мере один органический медиатор и одну или более органическую или неорганическую кислоты;
реагирование органического медиатора на катоде с образованием по меньшей мере одной восстановленной формы этого медиатора;
реагирование упомянутой по меньшей мере одной восстановленной формы медиатора с кислородом с образованием пероксида водорода;
контактирование анода с анолитом, содержащим хлорид щелочного металла;
реагирование хлорида на аноде с образованием хлора, который гидролизуется; и
реагирование гидролизованного хлора с образованием хлората.
1. The method of production of alkali metal chlorate, including:
providing an electrochemical cell containing the anode and cathode in separate anode and cathode chambers;
contacting the cathode with an electrolyte containing at least one organic mediator and one or more organic or inorganic acids;
reacting the organic mediator at the cathode with the formation of at least one reduced form of this mediator;
reacting said at least one reduced form of a mediator with oxygen to form hydrogen peroxide;
contacting the anode with an anolyte containing alkali metal chloride;
the reaction of chloride at the anode with the formation of chlorine, which is hydrolyzed; and
the reaction of hydrolyzed chlorine with the formation of chlorate.
2. Способ по п.1, в котором концентрация хлорид-ионов в анолите составляет от примерно 30 до примерно 300 г/л в расчете на хлорид натрия.2. The method according to claim 1, in which the concentration of chloride ions in the anolyte is from about 30 to about 300 g / l per sodium chloride. 3. Способ по п.1, в котором рН в объеме анолита составляет от примерно 4 до примерно 10.3. The method according to claim 1, in which the pH in the volume of the anolyte is from about 4 to about 10. 4. Способ по любому из пп.1-3, в котором электрохимическая ячейка содержит по меньшей мере одну камеру между анодной и катодной камерами.4. The method according to any one of claims 1 to 3, in which the electrochemical cell contains at least one chamber between the anode and cathode chambers. 5. Способ по любому из пп.1-3, в котором органический медиатор выбирают из группы, состоящей из хинонов, флавохинонов, производных пиридина и кетонов.5. The method according to any one of claims 1 to 3, in which the organic mediator is selected from the group consisting of quinones, flavoquinones, pyridine derivatives and ketones. 6. Способ по п.5, в котором органический медиатор выбирают из группы, состоящей из хинонов, содержащих (бензо)хиноновый фрагмент.6. The method according to claim 5, in which the organic mediator is selected from the group consisting of quinones containing a (benzo) quinone fragment. 7. Способ по п.6, в котором органический медиатор выбирают из группы, состоящей из антрахинонов, тетрагидроантрахинонов, нафтохинонов, бензохинонов и их производных.7. The method according to claim 6, in which the organic mediator is selected from the group consisting of anthraquinones, tetrahydroantraquinones, naphthoquinones, benzoquinones and their derivatives. 8. Способ по любому из пп.1-3, в котором содержание органического медиатора, включая его восстановленные формы, в католите составляет, по меньшей мере, примерно 1 мас.%.8. The method according to any one of claims 1 to 3, in which the content of the organic mediator, including its reduced forms, in the catholyte is at least about 1 wt.%. 9. Способ по любому из пп.1-3, в котором католит содержит по меньшей мере частично органическую соль, включающую по меньшей мере один вид органического катиона и/или органического аниона.9. The method according to any one of claims 1 to 3, in which the catholyte contains at least partially an organic salt, including at least one type of organic cation and / or organic anion. 10. Способ по п.9, в котором содержание упомянутой по меньшей мере частично органической соли в католите составляет от примерно 20 мас.% до примерно 99 мас.%.10. The method according to claim 9, in which the content of the at least partially organic salt in the catholyte is from about 20 wt.% To about 99 wt.%. 11. Способ по п.9, в котором упомянутая по меньшей мере частично органическая соль присутствует вместе с нейтральным сорастворителем, и массовое отношение соли к сорастворителю составляет от примерно 1:1 до примерно 1000:1.11. The method according to claim 9, in which said at least partially organic salt is present together with a neutral co-solvent, and the mass ratio of salt to co-solvent is from about 1: 1 to about 1000: 1. 12. Способ по п.9, в котором в католите присутствует нейтральный сорастворитель в количестве вплоть до примерно 50 мас.%.12. The method according to claim 9, in which the catholyte is present neutral cosolvent in an amount up to about 50 wt.%. 13. Способ по п.9, в котором упомянутая по меньшей мере частично органическая соль, сама по себе или в сочетании с нейтральным сорастворителем образует жидкую фазу при атмосферном давлении ниже примерно 130°С.13. The method according to claim 9, in which said at least partially organic salt, by itself or in combination with a neutral cosolvent forms a liquid phase at atmospheric pressure below about 130 ° C. 14. Способ по п.9, в котором упомянутая по меньшей мере частично органическая соль при 100°С имеет парциальное давление менее примерно 10 кПа.14. The method according to claim 9, in which said at least partially organic salt at 100 ° C has a partial pressure of less than about 10 kPa. 15. Способ по п.9, в котором упомянутая по меньшей мере частично органическая соль содержит катион, выбранный из группы, состоящей из 1-алкил-3-метилимидазолия, 1-бутил-З-метилимидазолия [BMIM], 1-этил-3-метилимидазолия [EMIM], 1,2,3-триметилимидазолия, н-алкилпиридиния, н-бутилпиридиния [BPY], пирролидиния, гуанидиния и алкилгуанидиния, изоурония, PR4+, NR4+, SR3+, тетраметиламмония, холина, кокомония и их смесей, R представляют собой, независимо друг от друга, необязательно замещенный алкил, алкенил или арил, или водород.15. The method according to claim 9, in which said at least partially organic salt contains a cation selected from the group consisting of 1-alkyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium [BMIM], 1-ethyl-3 -methylimidazolium [EMIM], 1,2,3-trimethylimidazolium, n-alkylpyridinium, n-butylpyridinium [BPY], pyrrolidinium, guanidinium and alkylguanidinium, isouronium, PR 4 + , NR 4 + , SR 3 + , tetramethylammonium, choline, cocomine and mixtures thereof, R are, independently of one another, optionally substituted alkyl, alkenyl or aryl, or hydrogen. 16. Способ по п.9, в котором упомянутая по меньшей мере частично органическая соль содержит катион, выбранный из группы, состоящей из замещенных хинонов.16. The method according to claim 9, in which said at least partially organic salt contains a cation selected from the group consisting of substituted quinones. 17. Способ по п.9, в котором упомянутая по меньшей мере частично органическая соль содержит анион, выбранный из группы, состоящей из гексафторфосфата [HFP], тетрафторбората [TFP], фторсульфоната, гексафторантимоната, гексафторарсената, хлоралюмината, бромалюмината, бис(трифторметилсульфонил)имида, трис(трифторметилсульфонил)метида, трицианометида, дицианамида, нонафторбутансульфоната, трифторметансульфоната, 2,2,2-трифторэтансульфоната, нитрата, сульфата, фосфата, RPO42-, R2PO4-, R2PO2- (например, диалкилфосфинат), перхлората, ацетата, алкилсульфоната, бис(2-этилгексил)натрий сульфосукцината, диэтиленгликольмонометилэфирсульфата, алкилолигоэфирсульфата, пивалата, тетраалкилбората, пропионата, сукцината, сахарината, гликолята, стеарата, лактата, малата, тартрата, цитрата, аскорбата, глютамата, бензоата, салицилата, метансульфоната, толуолсульфоната и их смесей, R представляют собой, независимо друг от друга, необязательно замещенный алкил, алкенил или арил, или водород.17. The method according to claim 9, wherein said at least partially organic salt comprises an anion selected from the group consisting of hexafluorophosphate [HFP], tetrafluoroborate [TFP], fluorosulfonate, hexafluoroantimonate, hexafluoroarsenate, chloroaluminate, bromoaluminate, bis (trifluoromethyl sulfonate) imide, tris (trifluoromethylsulfonyl) methide, tricyanomethide, dicyanamide, nonafluorobutanesulfonate, trifluoromethanesulfonate, 2,2,2-trifluoroethanesulfonate, nitrate, sulfate, phosphate, RPO4 2- , R 2 PO 4 - , R 2 PO 2 - (for example, dialkylphosphine , perchlorate, acetate, alkylsulfo Nata, bis (2-ethylhexyl) sodium sulfosuccinate, diethylene glycol monomethyl ether sulfate, alkyl oligoester sulfate, pivalate, tetraalkyl borate, propionate, succinate, saccharinate, glycolate, stearate, lactate, benzoic acid tartrate, nitrate, nitrate, nitrate, nitrate, mixtures, R are, independently of one another, optionally substituted alkyl, alkenyl or aryl, or hydrogen. 18. Способ по п.9, в котором упомянутая по меньшей мере частично органическая соль содержит анион, выбранный из группы, состоящей из замещенных хинонов.18. The method according to claim 9, in which said at least partially organic salt contains an anion selected from the group consisting of substituted quinones. 19. Способ по п.9, в котором упомянутая по меньшей мере частично органическая соль содержит катион, выбранный из группы, состоящей из [1,3-диалкилимидазолия], [триалкиламмония], [тетраалкиламмония], [триалкилфосфония], [тетраалкилфосфония], [алкилпиридиния], [холина], [Q-NR3+] и [Q-РR3+], и анион, выбранный из группы, состоящей из [сульфата], [фосфата], [алкилсульфата], [алкилсульфоната], [диалкилфосфата], [алкилфосфоната], [Q-(O)-SO3-] и [Q-(O)-РО3R-], где Q представляет собой хинон, (О) представляет собой необязательный кислород, R представляет собой, независимо друг от друга, необязательно замещенный алкил, алкенил или арил, или водород. 19. The method according to claim 9, in which said at least partially organic salt contains a cation selected from the group consisting of [1,3-dialkylimidazolium], [trialkylammonium], [tetraalkylammonium], [trialkylphosphonium], [tetraalkylphosphonium], [alkylpyridinium], [choline], [Q-NR 3 +] and [Q-PR 3 +] and an anion selected from the group consisting of [sulphate], [phosphate], [alkyl sulphate], [alkyl sulphonate], [ dialkyl phosphate], [alkyl phosphonate], [Q- (O) -SO 3 - ] and [Q- (O) -PO 3 R - ], where Q represents quinone, (O) represents optional oxygen, R represents, whatever dr g from each other, optionally substituted alkyl, alkenyl or aryl, or hydrogen.
RU2008103350/15A 2005-06-30 2006-06-02 Method of producing hydrogen peroxide and chlorate RU2375500C2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP05105885.7 2005-06-30
EP05105885 2005-06-30

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008103350A RU2008103350A (en) 2009-08-10
RU2375500C2 true RU2375500C2 (en) 2009-12-10

Family

ID=35385846

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008103350/15A RU2375500C2 (en) 2005-06-30 2006-06-02 Method of producing hydrogen peroxide and chlorate

Country Status (8)

Country Link
EP (1) EP1896632B1 (en)
CN (1) CN101213324B (en)
AT (1) ATE423861T1 (en)
BR (1) BRPI0612885B1 (en)
CA (1) CA2612545C (en)
DE (1) DE602006005363D1 (en)
RU (1) RU2375500C2 (en)
WO (1) WO2007004971A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2494960C2 (en) * 2010-09-16 2013-10-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки РФ (Минобрнаука РФ) Method of obtaining hydrogen peroxide

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2760094C (en) * 2009-05-15 2018-03-20 Akzo Nobel Chemicals International B.V. Activation of cathode
US8562810B2 (en) 2011-07-26 2013-10-22 Ecolab Usa Inc. On site generation of alkalinity boost for ware washing applications
US10011549B2 (en) * 2015-07-06 2018-07-03 Robert Bosch Gmbh Electrochemically active agents for pH modulation in biological buffers
KR20240035640A (en) * 2015-10-27 2024-03-15 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지 Electrochemical process for gas separation
EP3323779B1 (en) * 2016-11-18 2020-06-03 Diehl Aviation Gilching GmbH Method for generating oxygen using ionic liquids for decomposing peroxides
CN109055966A (en) * 2018-09-13 2018-12-21 北京化工大学 A kind of chemical combined method for preparing chlorine dioxide of electrochemistry-
CN113149063A (en) * 2020-01-22 2021-07-23 付冬 Method for preparing calcium stannate nano particles and method for preparing corresponding electrode
EP4283018A1 (en) * 2022-05-24 2023-11-29 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Method of producing a concentrated hydrogen peroxide solution

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2453739C3 (en) * 1974-11-13 1980-03-27 Kernforschungsanlage Juelich Gmbh, 5170 Juelich Process for the production of hydrogen peroxide
JPS61284591A (en) * 1985-06-10 1986-12-15 Japan Carlit Co Ltd:The Production of hydrogen peroxide
US6712949B2 (en) * 2001-07-22 2004-03-30 The Electrosynthesis Company, Inc. Electrochemical synthesis of hydrogen peroxide

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2494960C2 (en) * 2010-09-16 2013-10-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки РФ (Минобрнаука РФ) Method of obtaining hydrogen peroxide

Also Published As

Publication number Publication date
CA2612545A1 (en) 2007-01-11
ATE423861T1 (en) 2009-03-15
CA2612545C (en) 2010-04-06
CN101213324B (en) 2011-09-07
BRPI0612885B1 (en) 2017-03-07
CN101213324A (en) 2008-07-02
WO2007004971A1 (en) 2007-01-11
DE602006005363D1 (en) 2009-04-09
BRPI0612885A2 (en) 2010-12-07
EP1896632A1 (en) 2008-03-12
EP1896632B1 (en) 2009-02-25
RU2008103350A (en) 2009-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8034227B2 (en) Chemical process
RU2375500C2 (en) Method of producing hydrogen peroxide and chlorate
US20070012578A1 (en) Chemical process
RU2380460C2 (en) Electrosynthesis of hydrogen peroxide
RU2112817C1 (en) Methods for producing chlorine dioxide
US20140194641A1 (en) Method and System for the Electrochemical Co-Production of Halogen and Carbon Monoxide for Carbonylated Products
FI110772B (en) Process for the production of chlorine dioxide
US20120085657A1 (en) Chemical systems and methods for operating an electrochemical cell with an acidic anolyte
US20190017183A1 (en) System and Method for the Co-Production of Oxalic Acid and Acetic Acid
KR20150056627A (en) Integrated process for producing carboxylic acids from carbon dioxide
JP5907501B2 (en) Method for producing hypochlorite
AU2017233774A1 (en) Electrochemical cell for gas-phase reactant in liquid environment
EP3157897B1 (en) Integrated process for co-production of carboxylic acids and halogen products from carbon dioxide
US11603597B2 (en) Production of chemical products using electrochemical flow systems and mediators and associated methods
US6274114B1 (en) Process for on-site production of ultra-high-purity hydrogen peroxide for the electronics industry
US11236429B2 (en) Production of chemical products using electrochemical flow systems and slug flow and associated methods
JPH10291808A (en) Production method of aqueous hydrogen peroxide and device therefor
JPS61231189A (en) Production of amino alcohol
Potapova et al. SYNCHRONOUS ELECTROSYNTHESIS OF HYDROGEN PEROXIDE AND OZONE 1. Topological model
JP2000351622A (en) Production of titanium (iii) sulfate
Gyenge Phase-transfer mediated electroreduction of oxygen to hydrogen peroxide in acid and alkaline electrolytes
Gómez et al. Recovery of weak organic acids by electroneutralisation. Electroneutralisation of sodium acetate.
Kalu Simultaneous electrosynthesis of alkaline hydrogen peroxide and sodium chlorate

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150603