Прямое анодное получение соляной кислоты и катодное производство каустика при электролизе воды

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 20494 (2016) Цитировать эту статью

9726 Доступов

44 цитаты

Подробности о метриках

Соляная кислота (HCl) и каустик (NaOH) являются одними из наиболее широко используемых химикатов в водной промышленности. Прямое анодное электрохимическое производство HCl путем электролиза воды не увенчалось успехом, поскольку современные коммерчески доступные электроды склонны к образованию хлора. В этом исследовании представлена ​​инновационная технология одновременного получения HCl и NaOH из NaCl с использованием электрода для выделения кислорода Mn0,84Mo0,16O2,23 во время электролиза воды. Результаты показали, что протоны могут генерироваться анодно с высокой кулоновской эффективностью (т.е. ≥ 95%), при этом образование хлора составляет 3 ~ 5% подаваемого заряда. HCl производилась анодно при умеренной концентрации при CE 65 ± 4% вместе с CE 89 ± 1% для катодного производства каустика. Снижение ХЭ при генерации HCl было вызвано переходом протонов из анода в средний отсек. В целом, это исследование показало потенциал одновременного получения HCl и NaOH из NaCl и представляет собой важный шаг вперед для водной отрасли к производству HCl и NaOH на месте. В этом исследовании искусственный рассол использовался в качестве источника ионов натрия и хлорида. Теоретически искусственный рассол можно заменить потоками соленых отходов, такими как концентрат обратного осмоса (ROC), превратив ROC в ценный ресурс.

Соляная кислота (HCl) и каустическая сода (NaOH) широко используются для очистки воды и сточных вод1,2. Каустик в основном производится в хлор-щелочном процессе электролизом хлорида натрия (NaCl) с сопутствующим образованием хлора2,3. Хотя HCl не может быть синтезирован напрямую в этом процессе, его можно получить путем сжигания газообразных хлора и водорода, образующихся на катоде3. Однако транспортировка, хранение и обращение с концентрированными HCl и NaOH сопряжены с серьезными проблемами в области охраны труда и техники безопасности (OH&S) в водной отрасли. Поскольку в большинстве случаев оба соединения используются в водной промышленности в относительно низких концентрациях, существует общий интерес к получению на месте растворов HCl и NaOH средней концентрации, чтобы избежать вышеупомянутых проблем. Генерация на месте также позволит избежать стадии концентрации и, таким образом, снизить общее потребление энергии.

Протоны (H+) и гидроксид-ионы (OH-) можно получить электролизом воды с использованием двухкамерной электрохимической ячейки, в которую на анод подается вода, содержащая NaCl, а на катод подается чистая вода. Однако коммерчески доступные в настоящее время анодные материалы, такие как титан с покрытием из смешанного оксида металла (MMO) и алмаз, легированный бором (BDD), склонны к образованию хлора даже при низких концентрациях хлоридов4,5,6. Следовательно, эти материалы не позволяют напрямую получать HCl из растворов NaCl.

Чтобы избежать образования хлора, была предложена пятикамерная электрохимическая система (т.е. биполярный мембранный электродиализ) для одновременной генерации кислоты и щелочи из концентратов обратного осмоса7. Хотя возможность одновременного производства кислоты и щелочи была продемонстрирована, ожидается, что практическая и экономическая осуществимость будет ограничена из-за сложной конфигурации реактора и больших энергетических потребностей системы, вызванных использованием нескольких мембран.

Предыдущие исследования показали, что покрытие титановых электродов оксидами марганца и молибдена вместо Ir MMO заметно снижает электрокаталитическая активность в отношении образования гипохлорита8,9,10,11. Хотя эти исследования были направлены на получение водорода из морской воды в умеренно щелочных или кислых условиях с использованием неделимых электрохимических ячеек, результаты показывают, что этот материал потенциально может предотвратить образование хлора во время производства соляной кислоты умеренной концентрации. Действительно, была выдвинута гипотеза, что покрытия на основе MnO2 могут действовать как диффузионный барьер для ионов хлорида. Это позволяет сформировать высокую степень концентрационной поляризации, тем самым увеличивая концентрационный перенапряжение для реакции выделения хлора. Следовательно, выделение кислорода в результате окисления воды благоприятствует12. Поэтому в данной работе мы предполагаем, что без образования анодного хлора было бы целесообразно использовать анод MnxMoyOz для одновременного производства HCl и NaOH без необходимости использования двух дополнительных биполярных мембран и деионизированной воды в качестве среды в вышеупомянутом электрохимическом процессе. система7. Следовательно, предлагаемая нами система может работать при гораздо более низком омическом сопротивлении и, следовательно, потреблять меньше энергии.