DE4326539A1 - Process for the preparation of ammonia or alkali solutions and peroxodisulfates - Google Patents
Process for the preparation of ammonia or alkali solutions and peroxodisulfatesInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, Alkalilaugen und Peroxodisulfaten aus neutralen Ammonium- oder alkalisulfathaltigen Lösungen in einer durch eine Kationenaustauschermembran zweigeteilten Elektrolysezelle durch Oxidation der Sulfatlösungen an der Anode in Gegenwart von Thio cyanaten, Rhodanwasserstoffsäure, Dirhodan und organischen Stick stoff-Kohlenstoff-Schwefelgruppen-haltigen Verbindungen und/oder stickstoffhaltigen Heteroaromaten, wobei die Ammonium- oder Alkalikationen mit hohen Stromausbeuten in den Kathodenraum über führt werden und Ammoniak oder Alkalilaugen bilden.The present invention relates to a process for the preparation of ammonia, caustic alkalis and peroxodisulfates from neutral Ammonium or Alkalisulfathaltigen solutions in one by a Cation exchange membrane divided into two electrolysis cell Oxidation of sulfate solutions at the anode in the presence of thio cyanates, rhodanilic acid, dirhodan and organic stick substance carbon-sulfur group-containing compounds and / or nitrogen-containing heteroaromatics, wherein the ammonium or Alkali cations with high current yields in the cathode compartment over lead and form ammonia or alkali solutions.
Bei der Herstellung von Peroxodisulfaten sind Sulfatgehalte von 250 g/l erforderlich, um Stromausbeuten von < 50% zu erreichen, wodurch maximal 70% des eingesetzten Sulfates umgesetzt werden können. Die anodische Oxidation der Sulfate zu Peroxosulfaten kann nur an glatten Platinelektroden und nicht an Metalloxidelek troden mit wirtschaftlichen Stromausbeuten durchgeführt werden. In verdünnten Natriumsulfatlösungen von 20 Gew.-% werden Peroxo sulfate je nach Temperatur auch an Platinanoden nur mit Stromaus beuten von 5% erhalten. Eine Ausnahme bilden verdünnte Kalium- und Ammoniumsulfatlösungen, in denen Peroxidsulfate mit Stromaus beuten bis zu 18% erzeugt werden können. In der chemischen Industrie bestehen die meisten Abwässer in der Regel aus verdünn ten Natriumsulfatlösungen oder sind schwefelsäurehaltig, so daß es bisher nicht möglich war Peroxosulfate mit hohen Stromaus beuten und gleichzeitig Alkalilaugen oder Ammoniak zu erzeugen und dadurch Sulfatlösungen oder Abwässer kostengünstig aufzuar beiten. Die Elektrolyse von sauren Lösungen oder Abwässern führt durch die Hydroniumionenwanderung in der Kationenaustauschermem bran zu niedrigen Stromausbeuten für die Alkali- und Ammonium ionenübertragung und wird damit unwirtschaftlich. Bei der Elek trolyse von neutralen Natriumsulfatlösungen, deren Wirtschaft lichkeit hohe Stromausbeuten für die Ammonium- oder Alkaliüber tragung erfordert, können, bedingt durch die niedrigen Tem peraturen von +35°C für die Peroxodisulfatbildung nur max. 20gew.-%ige Natriumsulfatlösungen eingesetzt werden. Hierdurch sinken die Stromausbeuten für die Peroxodisulfatbildung unter 5%, da der Sulfatgehalt nicht ausreichend ist. Zusätze an den bekannten potentialerhöhenden Substanzen wie Fluorwasserstoff säure, Salzsäure, Thioharnstoff, Cyaniden und Rhodaniden, die in Konzentrationen von 1500 ppm in der Sulfatlösung verwendet werden; ergeben keine ausreichenden Stromausbeuten und bedingen erhebliche Korrosionsprobleme an den Anoden.In the production of peroxodisulphates, sulphate contents are 250 g / l required to achieve current efficiencies of <50%, whereby a maximum of 70% of the sulfate used are implemented can. The anodic oxidation of sulfates to peroxosulfates can only on smooth platinum electrodes and not on Metalloxidelek be carried out with economic electricity yields. In dilute sodium sulfate solutions of 20 wt .-% are peroxo sulfates depending on the temperature also on platinum anodes only with Stromaus obtained from 5%. An exception is dilute potassium and ammonium sulfate solutions in which Peroxidsulfate with Stromaus can be produced up to 18%. In the chemical Industry, most wastewaters usually consist of dilute sodium sulfate solutions or are sulfuric acid-containing, so that it was previously not possible Peroxosulfate with high Stromaus and at the same time to produce alkali or ammonia and thereby aufzu sulfate solutions or wastewater economically BEITEN. The electrolysis of acidic solutions or wastewater leads by the hydronium ion migration in the cation exchange membranes bran to low current yields for the alkali and ammonium ion transfer and thus becomes uneconomical. At the Elek trolysis of neutral sodium sulfate solutions, their economics high current yields for the ammonium or alkali over Due to the low tem temperatures of + 35 ° C for peroxodisulfate formation only max. 20gew .-% sodium sulfate solutions are used. hereby the current yields for peroxodisulfate formation decrease 5%, as the sulphate content is insufficient. Additions to the known potential-increasing substances such as hydrogen fluoride acid, hydrochloric acid, thiourea, cyanides and rhodanides, the at concentrations of 1500 ppm in the sulphate solution become; do not give sufficient current yields and condition significant corrosion problems at the anodes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Ammoniak oder Alkali laugen und Peroxodisulfate aus niedrig konzentrierten Sulfat lösungen mit hohen Stromausbeuten und geringem Energieaufwand kostengünstig zu erzeugen und damit auch hoch konzentrierte Sulfatlösungen weitgehend umsetzen zu können, so daß der Rest sulfatgehalt in der Peroxodisulfatlösung nach der direkten elek trochemischen Umsetzung möglichst gering ist.Object of the present invention is ammonia or alkali lyes and peroxodisulphates from low-concentration sulphate solutions with high power yields and low energy consumption cost-effective to produce and thus highly concentrated To be able to implement sulfate solutions largely, so that the rest sulphate content in the peroxodisulphate solution according to the direct elec Trochemical implementation is as low as possible.
Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Ammonium- oder Alkalisulfate im Anodenraum einer durch eine Kationenaustauschermembran zweigeteilten Elektrolysezelle mit einer glatten Platinanode, die eine hohe Sauerstoffüberspannung aufweist, elektrolysiert und die Elektrolyse der sulfathaltigen Lösungen oder Abwässer in Gegenwart von Thiocyanaten und/oder Rhodanwasserstoffsäure und/oder Dirhodan und Thioamiden und/oder Thioaldehyden und/oder Thiocarbonsäuren und/oder Thiocarbonsäure estern und/oder Thioalkanolen und/oder Thioketalen und/oder Dithioverbindungen und/oder stickstoffhaltigen Heteroaromaten durchführt.The object has been achieved by the Ammonium or alkali sulfates in the anode compartment by a Cation exchange membrane two-part electrolytic cell with a smooth platinum anode that has a high oxygen overvoltage has, electrolyzed and the electrolysis of the sulfate-containing Solutions or effluents in the presence of thiocyanates and / or Hydroxydic acid and / or dirhodane and thioamides and / or Thioaldehydes and / or thiocarboxylic acids and / or thiocarboxylic acid esters and / or thioalkanols and / or thioketals and / or Dithio compounds and / or nitrogen-containing heteroaromatics performs.
Als Anodenmaterialien mit hoher Sauerstoffüberspannung kommen vorzugsweise glattes Platin auf Trägermaterialien aus Titan, Niob oder Tantal oder Platin auf Trägern aus Legierungen dieser Metalle in Betracht. Besonders bevorzugt ist glattes Platinblech auf Tantal oder Niob-Tantal-Legierungen.As anode materials come with high oxygen overvoltage preferably smooth platinum on titanium substrates, Niobium or tantalum or platinum on supports of alloys of these Metals into consideration. Particularly preferred is smooth platinum sheet on tantalum or niobium-tantalum alloys.
Zur Bildung von Peroxosulfaten mit wirtschaftlichen Stromausbeu ten bei niedrigen Sulfatgehalten von < 20% bei der Verwendung von sulfathaltigen Lösungen und Abwässern sind Inhibitor-Kombina tionen bestehend aus Thiocyanaten und/oder Rhodanwasserstoffsäure und/oder Dirhodan mit den in Anspruch 1 beanspruchten erfindungs gemäßen Zusätzen unbedingt erforderlich.For the formation of peroxosulphates with economic Stromausbeu at low sulfate levels of <20% in use Sulfate-containing solutions and effluents are inhibitor combinations tions consisting of thiocyanates and / or Rhodanwasserstoffsäure and / or Dirhodan having the claimed in claim 1 Invention appropriate additions absolutely necessary.
Die Thiocyanate werden in Form ihrer Kalium-, Natrium- oder Ammoniumsalze verwendet, während die Rhodanwasserstoffsäure als wäßrige Lösung eingesetzt wird.The thiocyanates are in the form of their potassium, sodium or Ammonium salts used while the Rhodanwasserstoffsäure as aqueous solution is used.
Als Thioamide können Thioformamid, Thioharnstoff und Thiosemi carbazid verwendet werden.As thioamides can thioformamide, thiourea and thiosemi carbazide can be used.
Geeignete Thioaldehyde sind solche, die man aus Aldehyden und Schwefelwasserstoff herstellt. Suitable thioaldehydes are those which are prepared from aldehydes and Produces hydrogen sulfide.
Als Thiocarbonsäuren, Thiocarbonsäureesther, Thioalkanole oder Thioketale sind bevorzugt aliphatische C₁ bis C₄-Verbindungen geeignet, während man als Dithioverbindungen Thiokohlensäure und/oder Dimercaproalkanole verwendet.Thiocarboxylic, Thiocarbonsäureesther, thioalkanols or Thioketals are preferably aliphatic C₁ to C₄ compounds suitable, while thiocarbonic acid as Dithioverbindungen and / or dimercaproalkanols.
Vorteilhafte organische Thioverbindungen sind die Abkömmlinge der Thiokohlensäure wie z. B. Thioharnstoff, Thiosemicarbazid, Thio carbohydrazid, Bis-thioharnstoff, Thiosemicarbazon, Dithizon und S-Alkyl-isothiuroniumsalze, wobei sich Thiosemicarbazid als be sonders geeignet erwiesen hat.Advantageous organic thio compounds are the derivatives of Thiocarbonic acid such. Thiourea, thiosemicarbazide, thio carbohydrazide, bis-thiourea, thiosemicarbazone, dithizone and S-alkyl-isothiuronium salts, thiosemicarbazide being as be has proved particularly suitable.
Neben diesen Verbindungen können Thioglykole, Thiomorpholin, Thio ether, Thiocyansäure, Thiocyansäureester, Thiocarbonsäureester und Rhodanin eingesetzt werden.Besides these compounds, thioglycols, thiomorpholine, thio ether, thiocyanic acid, thiocyanic acid ester, thiocarboxylic acid ester and rhodanine are used.
Als stickstoffhaltige Heteroaromate sind z. B. Pyridin und/oder Derivate des Pyridins und/oder kondensierte Ringsysteme des Pyridins und/oder Pyrimidin und/oder Pyrimidinderivate und/oder Pyridazinderivate und/oder Pyrazin und/oder Pyrazinderivate und/oder Pyrazon und/oder Pyrazonderivate geeignet. Bevorzugt kommen die benzolkondensierten Ringsysteme des Pyridins, oder ihre Abkömmlinge, wie z. B. Chinolin, Isochinolin, 1,2-Dihydro chinolin, Chinolin-8-Sulfonsäure, Aminochinoline, 3-Chlorchino lin, Chinolinsäure und Hydrochinoline in Betracht.As nitrogen-containing heteroaromatics z. For example, pyridine and / or Derivatives of pyridine and / or fused ring systems of Pyridine and / or pyrimidine and / or pyrimidine derivatives and / or Pyridazine derivatives and / or pyrazine and / or pyrazine derivatives and / or pyrazone and / or pyrazone derivatives. Prefers come the benzene-fused ring systems of pyridine, or their descendants, such as Quinoline, isoquinoline, 1,2-dihydro quinoline, quinoline-8-sulfonic acid, aminoquinolines, 3-chloroquinol lin, quinolinic acid and hydroquinolines into consideration.
Weiterhin sind chlorierte Derivate des Pyridins und/oder Chino lins und/oder Pyrimidins und/oder Pyridazins und/oder Pyrazins und/oder Pyrazons in Kombination mit Thiocyanaten und/oder Dirhodan und/oder anderen organischen Thioverbindungen verwend bar, wobei man den Sulfatlösungen zusätzlich geringe Mengen an Chloriden zusetzen kann.Furthermore, chlorinated derivatives of pyridine and / or chino lins and / or pyrimidine and / or pyridazine and / or pyrazine and / or pyrazones in combination with thiocyanates and / or Dirhodan and / or other organic thio compounds use bar, wherein the sulfate solutions additionally small amounts of Chlorides can add.
Zum Schutz der Anode und zur Verminderung der Korrosion des Platins verwendet man die chlorierten Derivate des Pyridins und/oder Pyrimidins und/oder Pyridazins und/oder Pyrazins und/oder Pyrazons in Kombination mit Hexamethylentetramin und Thiocyanaten und/oder Rhodanwasserstoffsäure und/oder Dirhodan.To protect the anode and reduce corrosion of the anode Platinum is used the chlorinated derivatives of pyridine and / or pyrimidine and / or pyridazine and / or pyrazine and / or pyrazones in combination with hexamethylenetetramine and Thiocyanates and / or rhodanilic acid and / or dirhodan.
Das Hexamethylentetramin kann auch in Kombination mit allen anderen beanspruchten Inhibitorzusätzen verwendet werden, da es zu einer Verminderung der Platinverluste führt.The hexamethylenetetramine may also be used in combination with all other claimed inhibitor additives are used as it leads to a reduction of platinum losses.
Die Konzentration an Thiocyanaten und/oder Rhodanwasserstoffsäure und/oder Dirhodan in der Sulfatlösung oder im Abwasser kann 0,5 bis 2000 ppm, vorzugsweise 50 bis 800 ppm betragen. Zur Stabili sierung der Stromausbeute kann diese Konzentration während der Elektrolyse kontinuierlich durch Thiocyanate und/oder Rhodan wasserstoffsäure und/oder Dirhodan ergänzt werden.The concentration of thiocyanates and / or rhodanilic acid and / or dirhodane in the sulphate solution or in the effluent may be 0.5 to 2000 ppm, preferably 50 to 800 ppm. To stabili The current efficiency can reduce this concentration during the Electrolysis continuously by thiocyanates and / or Rhodan Hydrogenic acid and / or Dirhodan be supplemented.
Der Zusatz an Stickstoff-Kohlenstoff-Schwefelgruppen-haltigen organischen Verbindungen und/oder stickstoffhaltigen Heteroaroma ten sollte zwischen 10 und 2000 ppm, vorzugsweise 50 bis 500 ppm liegen und während der Elektrolyse kontinuierlich ergänzt werden. Der Ammonium- oder Alkalisulfatgehalt des Elektrolyten kann 5 bis 44 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 22 Gew.-% bei Alkalisulfaten und 5 bis 44 Gew.-% bei Ammoniumsulfat betragen. Besonders günstig sind Sulfatkonzentrationen zwischen 8 und 20 Gew.-% bei Alkalisulfat- und 8 bis 40 Gew.-% bei Ammoniumsulfatlösungen.The addition of nitrogen-carbon-sulfur group-containing organic compounds and / or nitrogen-containing hetero-aroma should be between 10 and 2000 ppm, preferably 50 to 500 ppm lie and are continuously supplemented during the electrolysis. The ammonium or alkali sulfate content of the electrolyte can 5 to 44 wt .-%, preferably 15 to 22 wt .-% with alkali sulfates and 5 to 44 wt .-% with ammonium sulfate. Especially Sulphate concentrations between 8 and 20 wt .-% are favorable at Alkalisulfat- and 8 to 40 wt .-% with ammonium sulfate solutions.
Geeignete Kathodenmaterialien sind Elektroden, die eine niedrige Wasserstoffüberspannung aufweisen. Es kommen mit Platinmetallen und/oder Platinmetallmischoxiden dotiertes Titan oder Nickel oder dotiertes Kupfer oder dotiertes metallisches Silber in Betracht. Bevorzugt eignet sich mit Raney-Nickel beschichtetes Nickel sowie auch mit Eisen-Nickel oder Eisen-Kobaltlegierungen beschichtetes Eisen oder Nickel gemäß DPB 3102306. Die Wasserstoffüberspannung der Kathoden sollte weniger als 200 mV, vorzugsweise 10 bis 80 mV betragen, um Energiekosten zu sparen.Suitable cathode materials are low-carbon electrodes Have hydrogen overvoltage. It comes with platinum metals and / or platinum metal mixed oxides doped titanium or nickel or doped copper or doped metallic silver into consideration. Preference is given to Raney nickel coated nickel and also coated with iron-nickel or iron-cobalt alloys Iron or nickel according to DPB 3102306. The hydrogen overvoltage the cathode should be less than 200 mV, preferably 10 to 80 mV to save energy costs.
Zur Trennung des Anoden- und Kathodenraumes der Elektrolysezelle werden Kationenaustauschermembranen oder Diaphragmen verwendet. Als Kationenaustauschermembranen werden bevorzugt Polymere auf Basis von perfluorierten Olefinen oder Copolymere aus Tetrafluor ethylen mit ungesättigten perfluorierten Ethern oder Copolymere aus Styrol und Divinylbenzol verwendet, die als ladungstragende Gruppen Sulfonsäure- und Carboxylgruppen oder nur Sulfonsäure gruppen enthalten. Kationenaustauschermembranen, die nur Sulfon säuregruppen enthalten, sind wesentlich beständiger gegenüber Einlagerungen und Verschmutzungen durch mehrwertige Kationen und daher bei Verwendung sulfathaltiger Prozeß- und Abwässer bevor zugt geeignet.For separating the anode and cathode compartments of the electrolytic cell cation exchange membranes or diaphragms are used. As cation exchange membranes, polymers are preferred Base of perfluorinated olefins or copolymers of tetrafluoro ethylene with unsaturated perfluorinated ethers or copolymers from styrene and divinylbenzene used as charge-carrying Groups sulfonic acid and carboxyl groups or only sulfonic acid groups included. Cation exchange membranes containing only sulfone contain acid groups, are much more resistant to Storage and contamination by polyvalent cations and therefore when using sulphate-containing process and wastewater before suitable.
Zur Trennung des Anoden und Kathodenraumes können auch Diaphrag men verwendet werden. Geeignete Diaphragmen sind solche aus hydrophilierten perfluorierten und/oder perchlorierten Kunst stoffen oder Sinterkeramik auf Basis von Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid. Bevorzugt eignen sich Diaphragmen, die aus Polymeren auf der Basis von perfluorierten Olefinen bestehen und mit Zirkonoxid hydrophiliert sind. For separation of the anode and cathode space can also Diaphrag used. Suitable diaphragms are such hydrophilized perfluorinated and / or perchlorinated art materials or sintered ceramics based on alumina and / or Zirconia. Preferably, diaphragms made of polymers are suitable consist of perfluorinated olefins and with Zirconia are hydrophilized.
Die elektrochemische Synthese der Peroxodisulfate und des Ammoniaks bzw. der Alkalilaugen kann kontinuierlich oder im Batchbetrieb durchgeführt werden. Beim kontinuierlichen Betrieb werden die Elektrolysezellen als Kaskade in Reihe geschaltet. Die elektrochemische Umsetzung der neutralen Ammonium- oder Alkalisulfatlösungen führt man bevorzugt in der Weise durch, daß die Elektrolysezelle als kontinuierliche Kaskade betrieben wird, wobei die Sulfatlösung oder das sulfathaltige Abwasser die Anodenräume über die gesamte Kaskade durchströmt. Zur Stabili sierung der Stromausbeute werden in verschiedenen Abschnitten der Kaskade kontinuierlich die beanspruchten Zusatzstoffe zudosiert. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn man der Sulfatlösung oder dem sulfathaltigen Abwasser im letzten Drittel der Kaskade keine Zusatzstoffe wie Thiocyanate, Rhodanwasserstoffsäure, Dirhodan und organische Stickstoff-Kohlenstoff-Schwefelverbindun gen oder Heteroaromaten zusetzt. Bei dieser Betriebsweise erhält man reine Peroxosulfate, die keine Verunreinigungen durch Inhibi toren enthalten. Auf der Kathodenseite verwendet man bevorzugt verdünnte Alkalilaugen als Zulauf zur Kaskade. Neben Alkalilaugen kann auch wäßrige Ammoniaklösung als Leitelektrolyt eingesetzt werden. Die Zulaufkonzentrationen zur Kaskade können 0,25 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 4 bis 8 Gew.-% betragen. Als Ablaufkonzen tration sind 5- bis 40gew.-%ige Lösungen, vorzugsweise 8- bis 30gew.-%ige Lösungen geeignet.The electrochemical synthesis of peroxodisulfates and of Ammonia or the alkali can be continuous or in the Batch operation to be performed. In continuous operation the electrolysis cells are connected in series as a cascade. The electrochemical conversion of the neutral ammonium or Alkalisulfatlösungen is preferably carried out in such a way that the electrolysis cell is operated as a continuous cascade, wherein the sulphate solution or the sulphate-containing wastewater the Anode spaces flowed through the entire cascade. To stabili The current efficiency is determined in different sections of the Cascade continuously dosed the claimed additives. It has proved to be advantageous when the sulfate solution or the sulphate wastewater in the last third of the cascade no additives such as thiocyanates, rhodanilic acid, Dirhodan and organic nitrogen-carbon sulfur compounds gene or heteroaromatic added. In this mode of operation receives pure peroxosulphates which are free of inhibitor impurities included. On the cathode side is preferably used dilute alkali solutions as feed to the cascade. In addition to alkali solutions It is also possible to use aqueous ammonia solution as the conducting electrolyte become. The inflow concentrations for the cascade can be 0.25 to 25 wt .-%, preferably 4 to 8 wt .-% amount. As a process 5 to 40 wt .-% solutions, preferably 8 to 30gew .-% solutions suitable.
Die Anoden und Kathoden, an denen sich Gase entwickeln, kann man in Form von Gasliftelektroden verwenden. Bei diesen Elektroden werden die Auftriebskräfte genutzt, die sich im Elektrolyten durch die Gasbeladung einstellende Dichteunterschiede gegenüber den gasfreien Elektrolyten einstellen. Die Auftriebskräfte werden durch konstruktive Gestaltung der Elektroden und Umlaufsysteme so gelenkt, daß eine gerichtete Elektrolytströmung mit minimalem Gasanteil im Elektrodenraum entsteht. Die Strömungsgeschwindig keiten sollten 0,15 m/s und 10 m/s, vorzugsweise 2 bis 5 m/s betragen. Besonders günstig ist dabei die Unterteilung der Elek trodenzwischenräume in vertikale, vom Elektrolyten durchströmte Kanäle. Auf diese Weise wird eine Minimierung des gasblasenbe dingten Spannungsabfalls erreicht.The anodes and cathodes on which gases evolve can be obtained in the form of gas lift electrodes. With these electrodes the buoyancy forces are used, which are in the electrolyte compared to the gas loading by adjusting the density differences Adjust the gas-free electrolyte. The buoyancy forces are by constructive design of the electrodes and circulation systems so directed that a directed electrolyte flow with minimal Gas content arises in the electrode space. The flow rate speeds should be 0.15 m / s and 10 m / s, preferably 2 to 5 m / s be. Particularly favorable is the subdivision of Elek between the electrodes in vertical, flowed through by the electrolyte Channels. In this way, a minimization of the gas bubbles caused a voltage drop.
Die Elektrolyse der Ammonium- oder Alkalisulfatlösungen kann bei Stromdichten von 0,3 bis 25 kA/m² durchgeführt werden. Vorzugs weise arbeitet man bei Stromdichten von 1 bis 8 kA/m².The electrolysis of the ammonium or alkali sulfate solutions can at Current densities of 0.3 to 25 kA / m² are performed. virtue wise works at current densities of 1 to 8 kA / m².
Die Temperatur bei der elektrochemische Synthese sollte -5 bis 45°C, vorzugsweise 10 bis +30°C betragen. Es ist aber auch mög lich, insbesondere bei höheren Sulfatkonzentrationen die Elektro lyse mit den beanspruchten Zusatzstoffen bei höheren Temperaturen durchzuführen.The temperature in the electrochemical synthesis should be -5 to 45 ° C, preferably 10 to + 30 ° C. But it is also possible Lich, especially at higher sulfate concentrations, the electric lysis with the claimed additives at higher temperatures perform.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur elek trochemischen Umsetzung von neutralen oder schwach alkalischen Lösungen oder sulfathaltigen Abwässern, die Ammonium- oder Alkalisulfate enthalten, zu Ammoniak oder Alkalilaugen und Peroxodisulfaten. In Gegenwart von Thiocyanaten und/oder Rhodan wasserstoffsäure und/oder Dirhodan und Thioamiden und/oder Thio aldehyden und/oder Thiocarbonsäuren und/oder Thiocarbonsäuree stern und/oder Thioalkanolen und/oder Thioketalen und/oder Dithioverbindungen und/oder stickstoffhaltigen Heteroaromaten erhält man in verdünnten sowie in hochkonzentrierten Lösungen hohe Stromausbeuten für die Peroxodisulfat- und Ammoniak- oder Alkalilaugen-Bildung. Mit der beanspruchten Kombination von Inhibitoren, die in wesentlich geringeren Konzentrationen einge setzt werden können, ist es möglich, verdünnte neutrale Ammonium- oder Alkalisulfatlösungen wirtschaftlich zu Ammoniak, Alkali laugen und Peroxodisulfaten und hoch konzentrierte Lösungen weit gehend umzusetzen, so daß die erzeugten Peroxodisulfatlösungen nur geringe Restsulfatgehalte aufweisen.The inventive method is particularly suitable for elek trochemical reaction of neutral or weakly alkaline Solutions or sulphate-containing effluents, the ammonium or Alkalisulfate, to ammonia or alkali solutions and Peroxodisulfaten. In the presence of thiocyanates and / or rhodan hydrochloric acid and / or dirhodane and thioamides and / or thio aldehydes and / or thiocarboxylic acids and / or thiocarboxylic acids star and / or thioalkanols and / or thioketals and / or Dithio compounds and / or nitrogen-containing heteroaromatics obtained in diluted as well as in highly concentrated solutions high current yields for the peroxodisulfate and ammonia or Caustic education. With the claimed combination of Inhibitors which are used in much lower concentrations it is possible to use diluted neutral ammonium or alkali sulfate solutions economically to ammonia, alkali lyes and peroxodisulfates and highly concentrated solutions reacting so that the peroxodisulfate solutions produced have only low residual sulfate levels.
In einer zweigeteilten Elektrolysezelle, deren Anoden- und Kathodenraum durch eine Kationenaustauschermembran vom Typ Neosepta CMH/2 (Tokuyama Soda) getrennt ist, wird eine Anode aus Platinblech auf einem Tantalträger und eine Kathode aus Nickel eingebaut.In a two-part electrolysis cell, the anode and Cathode space through a cation exchange membrane of the type Neosepta CMH / 2 (Tokuyama soda) is disconnected, an anode becomes off Platinum plate on a tantalum carrier and a cathode made of nickel built-in.
Im Kathodenraum der Elektrolysezelle wird wäßrige 5gew.-%ige Natronlauge eingesetzt, während im Anodenraum die folgenden Elektrolyte getestet werden:In the cathode compartment of the electrolytic cell is aqueous 5gew .-% Sodium hydroxide used, while in the anode compartment, the following Electrolytes are tested:
- 1. 15gew.-%ige wäßrige Natriumsulfatlösung1. 15gew .-% aqueous sodium sulfate solution
- 2. 15gew.-%ige wäßrige Natriumsulfatlösung + 500 ppm Natrium thiocyanat2. 15% strength by weight aqueous sodium sulfate solution + 500 ppm sodium thiocyanate
- 3. 15gew.-%ige wäßrige Natriumsulfatlösung mit 500 ppm Natrium thiocyanat und 100 ppm Thioharnstoff3. 15 wt .-% aqueous sodium sulfate solution with 500 ppm of sodium thiocyanate and 100 ppm thiourea
- 4. 15gew.-%ige wäßrige Natriumsulfatlösung mit 500 ppm Natrium thiocyanat + 100 ppm Thiosemicarbazid4. 15 wt .-% aqueous sodium sulfate solution with 500 ppm sodium thiocyanate + 100 ppm thiosemicarbazide
- 5. 11gew.-%ige wäßrige Kaliumsulfatlösung5. 11gew .-% aqueous potassium sulfate solution
- 6. 11gew.-%ige wäßrige Kaliumsulfatlösung mit 500 ppm Kalium thiocyanat6. 11gew .-% aqueous potassium sulfate solution with 500 ppm of potassium thiocyanate
- 7. 11gew.-%ige wäßrige Kaliumsulfatlösung mit 500 ppm Kalium thiocyanat und 100 ppm Thioharnstoff7. 11gew .-% aqueous potassium sulfate solution with 500 ppm of potassium thiocyanate and 100 ppm thiourea
- 8. 15gew.-%ige Ammoniumsulfatlösung 8. 15% strength by weight ammonium sulfate solution
- 9. 15gew.-%ige Ammoniumsulfatlösung mit 500 ppm Ammoniumthio cyanat9. 15% strength by weight ammonium sulfate solution with 500 ppm ammonium thio cyanate
- 10. 15gew.-%ige Ammoniumsulfatlösung + 500 ppm Ammoniumthiocyanat + 100 ppm Thioharnstoff10. 15% strength by weight ammonium sulfate solution + 500 ppm ammonium thiocyanate + 100 ppm thiourea
- 11. 15gew.-%ige Ammoniumsulfatlösung mit 500 ppm Thiocyanat und 100 ppm Thiosemicarbazid.11. 15gew .-% strength ammonium sulfate solution with 500 ppm thiocyanate and 100 ppm thiosemicarbazide.
Die Elektrolyse der Elektrolyte wird unter den folgenden Prozeß bedingungen durchgeführt:The electrolysis of the electrolytes becomes under the following process conditions:
Nach der Elektrolyse wurden in den einzelnen Elektrolyten die aufgeführten Gehalte an S₂O₈⁻⁻ und Stromausbeuten ermittelt:After the electrolysis in the individual electrolytes listed contents of S₂O₈⁻⁻ and current yields determined:
Aus den Ergebnissen wird deutlich, daß ohne Zusätze bei der Elek trolyse verdünnter, neutraler Natriumsulfatlösungen kaum Peroxo verbindungen entstehen (Versuch 1), während in Ammonium- und Kaliumsulfatlösungen Peroxoverbindungen mit Stromausbeuten von 20% erhalten werden (Versuche 5 und 8). Die Zusätze von Thio cyanat führen zu einer Erhöhung der Stromausbeute in der Natrium sulfatlösung auf 30% (Versuch 2) in der Kaliumsulfatlösung auf 33% (Versuch 6) und in der Ammoniumsulfatlösung auf 32% (Ver such 9), während der gleichzeitige Zusatz von Thioharnstoff oder Thiosemicarbazid Stromausbeuten von 50% für die S₂O₈⁻⁻-Bildung ergibt (Versuche 3, 4, 7, 10 und 11). From the results it is clear that without additives in the Elek trolysis of dilute, neutral sodium sulfate solutions barely peroxo compounds arise (experiment 1), while in ammonium and Potassium Sulphate Solutions Peroxo compounds with current yields of 20% (experiments 5 and 8). The additions of Thio cyanate lead to an increase in current efficiency in the sodium sulfate solution to 30% (Experiment 2) in the potassium sulfate solution 33% (experiment 6) and in the ammonium sulfate solution to 32% (Ver 9), while the simultaneous addition of thiourea or Thiosemicarbazide current yields of 50% for the S₂O₈⁻⁻ formation results (experiments 3, 4, 7, 10 and 11).
Verwendet man an Stelle einer Platinanode Elektroden aus Zinn dioxid, Bleidioxid und Mangandioxid erhält man ohne Zusätze zu den Elektrolyten sowie mit den in den Versuchen 2, 3, 4, 6, 7, 9, 10 und 11 aufgeführten Zusätzen Stromausbeuten für die S₂O₈⁻⁻- Bildung, die deutlich unter 1% liegen.If one uses instead of a platinum anode electrodes made of tin dioxide, lead dioxide and manganese dioxide are obtained without additives the electrolyte and with those in experiments 2, 3, 4, 6, 7, 9, 10 and 11 listed additions current yields for the S₂O₈⁻⁻- Education that is well below 1%.
Dieses Beispiel zeigt, daß Peroxoverbindungen nur an glatten Platinanoden und nicht an Metalloxidelektroden bei Abwesenheit und in Gegenwart von Kohlenstoff-Stickstoff-Schwefelgruppen- haltigen Verbindungen mit technisch interessanten Stromausbeuten gebildet werden.This example shows that peroxo compounds only on smooth Platinum anodes and not metal oxide electrodes in the absence and in the presence of carbon-nitrogen-sulfur group containing compounds with technically interesting current yields be formed.
In einer Elektrolysezelle wie in Beispiel 1 wird in den Anoden raum 43gew.-%ige Ammoniumsulfatlösung eingesetzt, während als Leitelektrolyt im Kathodenraum wäßrige 5gew.-%ige Natronlauge verwendet wird. Der pH-Wert Lösung beträgt etwa 6.In an electrolytic cell as in Example 1 is in the anodes room 43gew .-% ammonium sulfate solution used while Conducting electrolyte in the cathode compartment aqueous 5 wt .-% sodium hydroxide solution is used. The pH solution is about 6.
Die Elektrolyse wird bei einer Zellspannung von 4,1 V und einer Stromdichte von 5 kA/m² Anodenfläche durchgeführt. Im Anodenraum beträgt die Strömungsgeschwindigkeit 1,2 m/s. Die Temperatur wird zwischen +28 und +30°C gehalten. Während der Elektrolyse werden der Sulfatlösung nach unterschiedlichen Stromangeboten Proben entnommen und die Stromausbeuten für die Peroxosulfatbildung und Ammoniakübertragung bestimmt.The electrolysis is at a cell voltage of 4.1 V and a Current density of 5 kA / m² anode surface performed. In the anode room the flow velocity is 1.2 m / s. The temperature will be kept between +28 and + 30 ° C. During the electrolysis will be the sulphate solution according to different electricity offered samples taken and the current yields for Peroxosulfatbildung and Ammonia transfer determined.
In Abhängigkeit vom Stromangebot werden folgende Stromausbeuten für die Peroxodisulfatbildung und Ammoniumionenübertragnng erhal ten.Depending on the electricity supply, the following current yields for peroxodisulfate formation and ammonium ion transfer th.
Setzt man der Ammoniumsulfatlösung bei der Oxidation zusätzlich 135 ppm Ammoniumthiocyanat zu, erhält man folgende Ergebnisse.If the ammonium sulfate solution is additionally added during the oxidation 135 ppm of ammonium thiocyanate, the following results are obtained.
Elektrolysiert man die Ammoniumsulfatlösung mit einem Zusatz an 135 ppm Natriumthiocyanat und 100 ppm Thiosemicarbazid, werden folgende Resultate erhalten.Electrolyzed to the ammonium sulfate solution with an addition 135 ppm sodium thiocyanate and 100 ppm thiosemicarbazide received the following results.
Das Beispiel zeigt, daß der gleichzeitige Zusatz von Thiocyanat und Thiosemicarbazid zu einer wesentlichen Verbesserung der Stromausbeuten bei der elektrochemischen Oxidation führt. Senkt man die Temperatur auf +20 bis +21°C ab, dann erhöhen sich die Stromausbeuten für die Peroxodisulfatgewinnung um 5 bis 8%, während die Stromausbeute für die Ammoniumübertragung um 2 bis 3% sinkt.The example shows that the simultaneous addition of thiocyanate and thiosemicarbazide to a substantial improvement of Current yields in the electrochemical oxidation leads. lowers If you lower the temperature to +20 to + 21 ° C, then the increase Current yields for peroxodisulfate recovery by 5 to 8%, while the current efficiency for the ammonium transfer by 2 to 3% sinks.
In einer Elektrolysezelle wie in Beispiel 1 wird 20gew.-%ige Natriumsulfatlösung im Anodenraum eingesetzt.In an electrolytic cell as in Example 1 is 20 wt .-% pure Sodium sulfate used in the anode compartment.
Im Kathodenraum wird wäßrige 5gew.-%ige Natronlauge als Leit elektrolyt verwendet. Die Elektrolyse wird bei einem pH-Wert von 6,2, einer Stromdichte von 5 kA/m² und einer Zellspannung von 4,08 V und einer Temperatur von +28 und +30°C durchgeführt. In the cathode compartment, aqueous 5 wt .-% sodium hydroxide solution as Leit electrolyte used. The electrolysis is at a pH of 6.2, a current density of 5 kA / m² and a cell voltage of 4.08 V and a temperature of +28 and + 30 ° C.
Es werden folgende Resultate erhalten.The following results are obtained.
Elektrolysiert man die Natriumsulfatlösung mit einem Zusatz von 500 ppm Natriumthiocyanat in der Elektrolysezelle, so erhält man in Abhängigkeit vom Stromangebot folgende Ergebnisse.Electrolyzed the sodium sulfate solution with an addition of 500 ppm sodium thiocyanate in the electrolysis cell, we obtain depending on the electricity supply the following results.
Aus dem Beispiel wird deutlich, daß der Zusatz von Thiocyanat die Stromausbeute deutlich erhöht.From the example it is clear that the addition of thiocyanate the Current efficiency significantly increased.
Setzt man der Sulfatlösung zusätzlich 200 ppm Thiosemicarbazid zu, so ergeben sich folgende Veränderungen in den Stromausbeuten.Adding the sulfate solution additionally 200 ppm Thiosemicarbazid to, the following changes in the current yields result.
Hierbei zeigt sich, daß die Stromausbeute für die S₂O₈⁻⁻-Bildung fast verdoppelt und für den Na⁺-Übertrag zusätzlich erhöht wird. This shows that the current efficiency for the S₂O₈⁻⁻ formation almost doubled and additionally increased for Na⁺ carryover.
Steigert man die Strömungsgeschwindigkeit auf 4,3 m/s an der Anode, so ändern sich die Ergebnisse wie folgt.If you increase the flow rate to 4.3 m / s at the Anode, the results change as follows.
Bei einer Absenkung der Temperatur auf +15 bis +18°C ergibt sich eine Steigerung der Stromausbeute für die Peroxodisulfatbil dung von 5 bis 6%, während die Stromausbeute für die Natrium übertragung um 4 bis 5% absinkt.When lowering the temperature to +15 to + 18 ° C results An increase in the current efficiency for the Peroxodisulfatbil from 5 to 6%, while the current efficiency for the sodium transfer by 4 to 5%.
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