SK279624B6 - Spôsob výroby hydroxidu sodného - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka výroby hydroxidu sodného, predovšetkým spôsobu výroby hydroxidu sodného elektrodialýzou.

Doterajší stav techniky

Elektrodialýza je známou metódou výroby vodných roztokov hydroxidu sodného. Tak napríklad v patente US-A-4238305 sa opisuje spôsob, pri ktorom sa používa elektrodialyzačný článok, obsahujúci striedavo katiónové a bipoláme membrány. Do komôr, vymedzených medzi katiónovou membránou a aniónovým povrchom bipolárnej membrány, sa zavádza voda alebo zriedený vodný roztok hydroxidu sodného, a do komôr, vymedzených medzi katiónovou membránou a katiónovým povrchom bipolárnej membrány, sa zavádza vodný roztok uhličitanu sodného. Pri tomto známom postupe sa v komorách, ktoré sú plnené vodou alebo roztokom hydroxidu sodného, udržuje alkalické pH a v komorách, ktoré sú plnené roztokom uhličitanu sodného, kyslé pH. V kyslých komorách tak vzniká οχιά uhličitý. Vývin oxidu uhličitého v elektrodialyzačnom článku je nevýhodou tohto známeho postupu. V praxi sa bipoláme membrány, používané pri tomto známom postupe, vytvárajú spojením aniónovej a katiónovej membrány takým spôsobom, že ak sa tvorí oxid uhličitý v póroch katiónového povrchu bipolárnej membrány, vzniká nebezpečie odtrhnutia obidvoch membrán. Na druhej strane takto vznikajúci plyn vystavuje membrány mechanickému namáhaniu, ktoré ich poškodzuje a okrem toho značným spôsobom zvyšuje elektrický odpor elektrolytu, a v dôsledku toho znižuje spotrebu elektriny.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje vynález prostredníctvom zdokonaleného postupu, ktorý umožňuje vyrábať vodný roztok hydroxidu sodného v elektrodialyzačnom článku, kde nedochádza k vývinu plynu.

Predmetom vynálezu je spôsob výroby hydroxidu sodného elektrodialýzou, v elektrodialyzačnom článku, keď sa voda, privádzaná na jednej strane samotná, alebo vo forme vodného roztoku hydroxidu sodného do komory článku vymedzenej medzi katiónovou membránou a aniónovým povrchom bipolárnej membrány a na druhej strane, vodným roztokom uhličitanu sodného do komory článku vymedzenej medzi katiónovým povrchom bipolárnej membrány a ďalšou katiónovou membránou, disociuje elektrickým prúdom, a odvádza sa vodný roztok hydroxidu sodného z komory obsahujúcej aniónový povrch bipolárnej membrány, pričom sa udržiava alkalické pH v komore článku, do ktorej je privádzaný uhličitan sodný. Výhodne sa pH v tejto komore udržiava v rozmedzí 8 až 10, výhodne 8,2 až 9.

Pri spôsobe podľa vynálezu sa katiónovou membránou rozumie tenká fólia, ktorá je neporézna a selektívne prepúšťajúca katióny a neprepúšťajúca anióny. Katiónové membrány, použiteľné podľa vynálezu, musia byť z materiálu, ktorý je inertný proti vodným roztokom hydroxidu sodného. Medzi katiónové membrány, použiteľné pri spôsobe podľa vynálezu, patrí napríklad fólia z fluorovaného polyméru, obsahujúceho katiónové funkčné skupiny, odvodené od sulfónových kyselín, karboxylových kyselín alebo kyselín fosfónových alebo zmesi takých funkčných skupín. Príklady membrán tohto typu sú opísané v patentoch GB-A-1497748 a GB-A- 1497749 (ASAHI KASEL KOGYO K.K.), GB-A-1518387 a GB-A-1522877 (ASAHI GLASS COMPANY LTD) a GB-A-1402920 (DIAMOND SHAM-ROCK CORP.). Membrány, špeciálne prispôsobené tejto aplikácii článku podľa vynálezu, sú známe pod názvami NAFION (DU PONT) a FLEMION (ASAHI GLASS COMPANY LTD).

Bipoláme membrány sú membrány, ktoré majú na jednom povrchu vlastnosti katiónovej membrány a na druhom povrchu vlastnosti aniónovej membrány, kde aniónová membrána je definovaná ako tenká fólia, ktorá je neporézna a selektívne prepúšťajúca anióny a neprepúšťajúca katióny. Bipoláme membrány je možné vo všeobecnosti získavať spojením katiónovej a aniónovej membrány s použitím napríklad metód opísaných v britskej patentovej prihláške GB-A-2122543 a v medzinárodnej patentovej prihláške WO 89/1059 (obidve na meno UNISEARCH LTD).

Aniónové membrány, použiteľné pri konfekcii bipolárnych membrán, použiteľných pri spôsobe podľa vynálezu, sú fólie z polymérneho materiálu, inertného proti prírodným roztokom hydroxidu sodného a obsahujúceho kvartérne amónne skupiny, ktoré plnia funkciu fixných aniónových miest.

V praxi nie sú katiónové membrány ideálne neprepúšťajúce anióny a aniónové membrány ideálne neprepúšťajúce katióny. Podľa definície sa prúdová účinnosť katiónovej membrány rovná molárnemu zlomku katiónu, ktorý efektívne prejde membránou pôsobením jedného faradu. Podobne prúdová účinnosť aniónovej membrány sa rovná molárnemu zlomku aniónu, ktorý efektívne prejde membránou pôsobením jedného faradu.

Elektrodialyzačný článok obsahuje aspoň jednu bipolárnu membránu a dve katiónové membrány medzi jednou anódou a katódou, ktoré sú pripojené ku kladnej, resp. zápornej svorke zdroja jednosmerného prúdu. Anóda je umiestnená na strane aniónového povrchu bipolárnej membrány a katóda je umiestnená na strane katiónového povrchu bipolárnej membrány.

Do komory, obsahujúcej katiónový povrch bipolárnej membrány, sa uvádza vodný roztok uhličitanu sodného. Vodný roztok uhličitanu sodného môže byť zriedený alebo koncentrovaný. Výhodné je používať koncentrované roztoky, ktorých koncentrácia musí byť v každom prípade kompatibilná s rozpustnosťou hydrogénuhličitanu sodného vo vode tak, aby nedochádzalo k zrážaniu hydrogénuhličitanu sodného v článku.

Do komory, obsahujúcej aniónový povrch bipolárnej membrány, sa uvádza voda alebo zriedený roztok hydroxidu sodného. Zriedeným vodným roztokom hydroxidu sodného sa rozumie roztok, ktorý nie je nasýtený. Koncentrácia hydroxidu sodného vo vodnom roztoku je podmienená nutnosťou zabrániť poškodeniu membrán hydroxidom sodným. Z toho dôvodu sa doporučuje voliť koncentráciu hydroxidu sodného nižšiu než 10 mol/1, výhodne než 5 mol/1; zvlášť doporučené koncentrácie nepresahujú 2,5 mol/1. V praxi sa dosahujú dobré výsledky pri voľbe roztokov, ktorých koncentrácia hydroxidu sodného je vyššia než 0,2 mol/1, výhodne sa aspoň rovná 0,5 mol/1; výhodné koncentrácie sa pohybujú medzi 1 a 3 mol/1.

Pôsobením elektrického prúdu pri elektrodialýze dochádza k disociácii vody v bipolámej membráne, difúzii katiónov Na⁺ katiónovými membránami, tvorbe hydroxidu sodného v komore, obsahujúcej aniónový povrch bipolárnej membrány, a k aspoň čiastočnej premene uhličitanu sodného na hydrogénuhličitan sodný v druhej komore.

Podľa vynálezu sa v komore, obsahujúcej katiónový povrch bipolámej membrány, udržuje dostatočne alkalické pH na zamedzenie rozkladu hydrogénuhličitanu sodného. Všeobecne závisí minimálna prakticky použiteľná hodnoty pH od koncentrácie použiteľného vodného roztoku uhličitanu sodného. V praxi je žiaduce udržovať pH nad 8, výhodne aspoň rovnajúce sa 8,2. Hľadaná hodnota pH sa všeobecne realizuje príslušnou reguláciou obsahov uhličitanu a hydrogénuhličitanu sodného vo vodnom roztoku, prítomnom v článku, a tieto obsahy samotné závisia od prietoku roztoku v článku. V praxi sa pH udržuje pod 10 a obvykle nepresahuje 9. Zvlášť doporučené hodnoty sú v rozmedzí asi 8,2 až asi 9.

Pri spôsobe podľa vynálezu sa odoberá vodný roztok hydroxidu sodného z komory, obsahujúcej aniónový povrch bipolámej membrány, a vodný roztok hydrogénuhličitanu sodného (obsahujúci prípadne uhličitan sodný) z komory, obsahujúcej katiónový povrch bipolámej membrány. Tieto roztoky môžu byť zhodnocované oddelene. Roztok hydrogénuhličitanu sodného sa môže predovšetkým podrobiť ochladeniu na vyvolanie kryštalizácie hydrogénuhličitanu sodného alebo sa môže použiť sám osebe pri výrobe sódy Solvayovýnt spôsobom.

Pri zvlášť výhodnom uskutočnení spôsobu podľa vynálezu sa hydrogénuhličitan sodný, odoberaný z článku, rozkladá za vzniku uhličitanu sodného, ktorý recirkuluje do komory, obsahujúcej katiónový povrch bipolámej membrány. V tomto vyhotovení spôsobu nie je rozhodujúci prostriedok použitý· na rozklad hydrogénuhličitanu sodného. Napríklad je možné na vodný roztok hydrogénuhličitanu sodného, odvádzaný z článku, pôsobiť oxidom alebo hydroxidom alkalického kovu alebo kovu alkalických zemín. Výhodne sa používa vápenné mlieko.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je podrobnejšie opísaný v súvislosti s pripojeným výkresom, ktorý schematicky predstavuje elektrodialyzačný článok na vykonávanie spôsobu podľa vynálezu.

Článok, znázornený na výkrese, obsahuje v obvode 1 striedavo tri katiónové membrány 2, 2', 2 a dve bipolárne membrány 3, 3' medzi anódou 4 a katódou 5. Membrány 2, 3, 2', 3' a 2 definujú medzi sebou štyri elektrodialyzačné komory 6, 7, 6', 7'. Membrány 2, 2' a 2 sú katiónové a membrány 3 a 3' sú bipolárne. Umiestnenie bipolámej membrány 3 v článku je také, že jeho aniónový povrch 8' sa nachádza v komore 6' ajeho katiónový povrch 9 v komore 7. Podobne bipoláma membrána 3', má svoj aniónový povrch 8', v komore 6', a svoj katiónový povrch 9, v komore 7’.

V praxi obsahujú priemyselné elektrodialyzačné články veľký počet (obvykle niekoľko tuctov) komôr 6 (a 6') a 7 (a 7’).

Počas využívania elektrodialyzačného článku sa voda alebo zriedený vodný roztok 10 (10') privádza do komory 6 (6‘), vodný roztok 11 (1 ľ) uhličitanu sodného do komory 7 (7') a elektródy, t. j. anóda 4 a katóda 5, sú pripojené ku svorkám zdroja jednosmerného prúdu. V krajných komorách 18 a 19, obsahujúcich anódu 4, resp. katódu 5, sa nechá cirkulovať elektrolyt, ktorého zloženie nie je rozhodujúce. Vplyvom rozdielu potenciálov medzi anódou 4 a katódou 5 dochádza k disociácii vody na bipolámych membránach 3 a 3', spôsobujúcej vývin protónov komorách 7, 7' a tvorbu hydroxylových iónov v komorách 6 a 6'. Súčasne migrujú katióny sodíka z komory 7 do komoiy 6' cez katiónovú membránu 2'. Dochádza tak v komorách 6 a 6' k tvorbe hydroxidu sodného a v komorách 7 a 7' hydrogénuhličitanu sodného na úkor uhličitanu sodného.

Podľa vynálezu sa prietok roztokov reguluje tak, aby pH v komore 7 bolo udržované v okolí 8,5 na zamedzenie rozkladu hydrogénuhličitanu sodného, ktorý sa tu tvorí.

Z komôr 6 a 6’ sa odoberá vodný roztok 12 (resp. 12') hydroxidu sodného, z komôr 7 a 7' vodný roztok 13 (resp. 13') uhličitanu a hydrogénuhličitanu sodného. Vodný roztok 13, 13' sa vedie do reakčnej komory 14, do ktorej sa od inakiaľ privádza vápenné mlieko 15 v množstve, postačujúcom na rozklad hydrogénuhličitanu sodného. Z reakčnej komory 14 sa odoberá uhličitan vápenatý 16 a vodný roztok 17 uhličitanu sodného, ktorý sa recirkuluje do komôr 7, 7'.

Príklad uskutočnenia vynálezu

Použije sa elektrodialyzačný článok, znázornený na výkrese, ktorého každá membrána má povrch 1 m2, a nechá sa ním prechádzať prúd 1 kA.

Do komory 6 sa privádza voda v množstve 12,87 1/h a do komory 7 vodný roztok uhličitanu sodného (obsahujúci 156 g/1 uhličitanu sodného) v množstve 23,3 1/h.

Za predpokladu účinnosti bipolámej membrány 3 rovnajúcej sa 0,95 a účinnosti katiónovej membrány 2 rovnajúcej sa 0,97 je produkcia článku 12,3 1/h vodného roztoku s 10 % hmotnostnými hydroxidu sodného a 23,3 kg/h nasýteného vodného roztoku hydrogénuhličitanu sodného (obsahujúceho 0,124 kg hydrogénuhličitanu sodného na 1 kg).

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob výroby hydroxidu sodného elektrodialýzou, v elektrodialyzačnom článku, kedy sa voda, privádzaná

   - na jednej strane, samotná, alebo vo forme vodného roztoku hydroxidu sodného do komory článku, vymedzenej medzi katiónovou membránou a aniónovým povrchom bipolárnej membrány a

   - na druhej strane vodným roztokom uhličitanu sodného do komory článku , vymedzenej medzi katiónovým povrchom bipolámej membrány a ďalšou katiónovou membránou, disociuje elektrickým prúdom a odvádza sa vodný roztok hydroxidu sodného z komory obsahujúcej aniónový povrch bipolámej membrány, vyznačujúci sa tým, že sa udržiava alkalické pH v komore článku, do ktorej je privádzaný uhličitan sodný.
2. 2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že pH v komore plnenej uhličitanom sodným sa udržiava v rozmedzí 8 až 10, výhodne 8,2 až 9.