ITMI962273A1

ITMI962273A1 - Procedimento di fabbricazione di una soluzione acquosa di idrossido di sodio

Info

Publication number: ITMI962273A1
Application number: IT96MI002273A
Authority: IT
Inventors: Francesco Posar
Original assignee: Solvay
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1998-05-01
Also published as: DE69701081T2; HU220418B1; NO975005L; US5888368A; PL322919A1; DE69701081D1; ATE188394T1; HU9701780D0; EP0839570A3; HUP9701780A2; EP0839570A2; CA2217792A1; JPH10152790A; HUP9701780A3; IT1287127B1; NO975005D0; ES2143283T3; CZ346297A3; EP0839570B1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

L'invenzione riguarda la fabbricazione di idrossido di sodio mediante elettrodialisi di carbonato di sodio .

L'elettrodialisi è una tecnica ben nota per fabbricare soluzioni acquose di idrossido di sodio. Così, nel brevetto statunitense 4.238.305, viene descritto un procedimento nel quale si impiega una cella di elettrodialisi del tipo a due compartimenti, delimitati tra una membrana cationica e una membrana bipolare, e si sottopone a elettrodialisi una soluzione acquosa di carbonato di sodio nel compartimento della cella, che è delimitato tra la membrana cationica e la faccia cationica della membrana bipolare. L'elettrodialisi della soluzione acquosa di carbonato di sodio porta alla formazione di una soluzione acquosa di idrossido di sodio nel compartimento basico della cella, che è adiacente alla faccia anionica della membrana bipolare. In questo procedimento noto, le condizioni dell'elettrodialisi vengono scelte in modo da realizzare un pH acido nel compartimento della cella, che è alimentato con la soluzione di carbonato di sodio. Ne deriva che, in questo compartimento, si forma biossido di carbonio.

Nel procedimento noto descritto sopra, la formazione di biossido di carbonio gassoso nella cella di elettrodialisi costituisce un inconveniente. In effetti, la membrana bipolare impiegata in questo procedimento noto, in generale, viene formata mediante giustapposizione di una membrana anionica e di una membrana cationica, in modo che la liberazione di biossido di carbonio al suo contatto provoca inevitabilmente una dislocazione della membrana bipolare mediante separazione dei suoi componenti anionico e cationico.

Per rimediare questo inconveniente, nel brevetto europeo EP-B-560.422, si propone di realizzare un pH alcalino nel compartimento che viene alimentato con la soluzione di carbonato di sodio per impedire che ivi si formi biossido di carbonio. Sebbene questo procedimento noto faccia diminuire in modo notevole le sollecitazioni della membrana bipolare, in pratica, però, si è rivelato difficile evitare completamente che si formi biossido di carbonio localmente, in particolare nei pori della membrana bipolare.

La presente invenzione ha lo scopo di fornire un procedimento migliorato per la fabbricazione di idrossido di sodio mediante elettrodialisi di carbonato di sodio in una cella munita di una membrana bipolare, questo procedimento in particolare evita la formazione di biossido di carbonio gassoso a contatto con la membrana bipolare.

La presente invenzione riguarda pertanto un procedimento di fabbricazione di idrossido di sodio mediante elettrodialisi di carbonato di sodio, che è caratterizzato dal fatto che si impiega una cella di elettrodialisi a tre compartimenti, si introduce una soluzione acquosa di carbonato di sodio in un compartimento della cella che è delimitato tra due membrane cationiche, si introduce un acido in un compartimento che è delimitato tra una delle membrane cationiche e una faccia cationica di una membrana bipolare e si estrae una soluzione acquosa di idrossido di sodio da un compartimento che è adiacente ad una faccia anionica della membrana bipolare.

La cella di elettrodialisi impiegata nel procedimento secondo la presente invenzione è del tipo a tre compartimenti, delimitati tra due membrane cationiche e una membrana bipolare. La cella di elettrodialisi è situata tra un anodo e un catodo che sono collegati rispettivamente al morsetto positivo e al morsetto negativo di una sorgente di corrente continua. La disposizione deli'anodo e del catodo è tale che la faccia anionica della membrana bipolare sia rivolta verso l'anodo, mentre la faccia cationica della membrana bipolare sia rivolta verso il catodo. In pratica, si associano parecchie (almeno due, ma generalmente parecchie decine) di celle di elettrodialisi in serie tra l'anodo e il catodo in modo da costituire un elettrodializzatore industriale.

Con il termine membrana cationica si intende indicare un foglio sottile, non poroso nei confronti degli elettroliti acquosi e selettivamente permeabile nei confronti di cationi e 'impermeabile nei confronti degli anioni.

La membrana bipolare impiegata nel procedimento secondo la presente invenzione è una membrana che presenta, su una faccia, le proprietà di una membrana cationica e sull'altra faccia, le proprietà di una membrana anionica (una membrana anionica essendo, per definizione, un foglio sottile, non poroso agli elettroliti acquosi e selettivamente permeabile agli anioni e impermeabile ai cationi). Nel procedimento secondo la presente invenzione, preferibilmente, si utilizza una membrana bipolare formata mediante la giustapposizione di una membrana cationica e di una membrana anionica, per esempio del tipo di quella descritta nella domanda internazionale WO 96/01286 [SOLVAY (Società Anonima)].

Secondo la presente invenzione si introduce una soluzione acquosa di carbonato di sodio nel compartimento della cella di elettrodialisi, che è delimitato tra le due membrane cationiche e si introduce un acido nel compartimento della cella, che è delimitato tra una delle due membrane cationiche e la faccia cationica della membrana bipolare.

La soluzione acquosa di carbonato di sodio può essere una soluzione diluita oppure una soluzione concentrata. Si preferisce impiegare una soluzione concentrata, preferibilmente una soluzione sostanzialmente saturata in carbonato di sodio. La soluzione di carbonato di sodio, eventualmente, può contenere bicarbonato di sodio sciolto.

L'acido deve essere un elettrolita. E' opportuno inoltre scegliere un acido che, nelle normali condizioni dell'elettrodialisi del carbonato di sodio, non generi un gas. Secondo la presente invenzione, l'acido viene vantaggiosamente selezionato tra gli acidi minerali. L'acido cloridrico è ben opportuno. L'acido carbonico non è opportuno nell'ambito della presente invenzione.

L'elettrodialisi provoca, in modo di per sè noto, una dissociazione dell'acqua nella membrana bipolare ed una decomposizione del carbonato di sodio.

Nel procedimento secondo la presente invenzione, il compartimento che contiene la faccia anionica della membrana bipolare può venire alimentato eventualmente con acqua oppure con una soluzione diluita di idrossido di sodio, per esempio una soluzione contenente da 0,5 a 5 (preferibilmente da 1 a 2) moli di idrossido di sodio per litro.

Nel procedimento secondo la presente invenzione, l'acido non partecipa alla reazione di elettrodialisi. Esso costituisce una barriera che impedisce che il biossido di carbonio che verrebbe a formarsi nella soluzione di carbonato di sodio raggiunga la membrana bipolare. L'acido può essere una pellicola immobile nel compartimento. Tuttavia, si preferisce fare circolare l'acido in modo continuo nel compartimento, per esempio in modo anulare, tra la cella e un serbatoio di acido.

Nel procedimento secondo la presente invenzione, il pH nel compartimento alimentato dalla soluzione acquosa di carbonato di sodio può essere acido, alcalino oppure neutro. Si preferisce realizzare, in questo compartimento, un pH alcalino, per esempio, almeno uguale a 7,5, i valori da 7,5 a 12 essendo ben opportuni, quelli situati tra 9 e 11 essendo particolarmente vantaggiosi. In modo generale, le condizioni ottimali di pH in questo compartimento della cella di elettrodialisi possono venire determinate facilmente con la teoria elettrochimica oppure mediante prove di tipo rutinario in laboratorio e tra dette condizioni è compresa in particolare un'opportuna scelta della concentrazione della soluzione di carbonato di sodio e un'opportuna scelta del suo flusso.

Il pH nel compartimento acido, preferibilmente, è inferiore al valore del pH nel compartimento della soluzione di carbonato di sodio. Il pH nel compartimento acido, vantaggiosamente, è inferiore a 6, preferibilmente inferiore a 5, i valori di pH da 0 a 2 essendo ben adatti, quelli situati tra 0 e 0,5 essendo particolarmente raccomandati. La realizzazione del valore ottimale del pH nel compartimento alimentato con l'acido può venire effettuata facilmente per mezzo di una opportuna scelta dell'acido e della sua concentrazione. Le soluzioni acquose di acido cloridrico sono ben adatte, le soluzioni molari essendo particolarmente vantaggiose.

In una forma di realizzazione particolare del procedimento secondo la presente invenzione, si sceglie l'acido tra gli ossiacidi idrosolubili. Per definizione ossiacido è la denominazione generica degli acidi inorganici che contengono ossigeno {DUVAL, Dictionnaire de la chimie et de ses applications, 3e édition, 1978, Techniques et Documentation, Parigi, Pag. 783). In questa forma di realizzazione del procedimento secondo la presente invenzione, l'ossiacido, preferibilmente, viene scelto tra gli ossiacidi il cui anione presenta un diametro ionico superiore a 1,8 À che è il diametro ionico dell'anione cloruro. La scelta di un idracido con anione grande fa diminuire il rischio di una migrazione di detto anione attraverso la membrana bipolare, verso la soluzione di idrossido di sodio. Gli acidi solforico e nitrico (il cui anione presenta un diametro superiore a 2,0 À) sono particolarmente vantaggiosi, l'acido solforico essendo preferito.

In un'altra forma di realizzazione del procedimento secondo la presente invenzione, la soluzione di carbonato di sodio viene ottenuta mediante dissoluzione del sesquicarbonato di sodio in acqua. In questa forma di realizzazione del procedimento secondo la presente invenzione, la sorgente di sesquicarbonato è vantaggiosamente, il trona, per esempio trona estratto da un giacimento dello stato dello Wyoming negli Stati Uniti.

Particolarità e dettagli della presente invenzione risultano dalla descrizione che segue della figura unica del disegno allegato, che rappresenta schematicamente una cella di elettrodialisi per la realizzazione del procedimento secondo la presente invenzione.

La cella rappresentata nella figura, denomi-nata nel suo insieme con il numero di riferimento 1, è costituita da una membrana bipolare 2 e da due membrane cationiche 3 e 4 tra un anodo 5 e un catodo 6. La membrana bipolare 2 è costituita da una faccia anionica 7 e una faccia cationica 8. Essa è situata nella cella in modo da avere la sua faccia cationica 8 orientata verso il catodo 6. Le membrane cationiche 3 e 4 sono situate tra la membrana bipolare 2 e il catodo 6. La cella è costituita inoltre da tre compartimenti di elettrodialisi 9, 10 e 11 (il compartimento 11 essendo delimitato dalla faccia anionica 7' della membrana bipolare 2' di una cella vicina).

Durante il funzionamento della cella 1, l'anodo 5 è collegato al morsetto positivo di una sorgente di corrente continua e il catodo 6 è collegato al morsetto negativo di detta sorgente di corrente. Si introduce una soluzione acquosa di carbonato di sodio 12 nel compartimento 10, si introduce una soluzione acquosa molare di acido cloridrico 13 nel compartimento 9 e si introduce acqua oppure una soluzione diluita di idrossido di sodio 14 nel compartimento 11. Sotto l'effetto della tensione tra gli elettrodi 5 e 6, l'acqua viene dissociata nelle membrane bipolari 2 e 2', in modo che protoni passano nel compartimento acido 9 e ioni ossidrili passano nel compartimento 11. Contemporaneamente, carbonato di sodio viene decomposto nel compartimento 10 e cationi Na+ passano attraverso la membrana cationica 4, nel compartimento 11. Si estrae una soluzione acquosa di idrossido di sodio 15 dal compartimento 11 della cella e si estrae una soluzione acquosa di carbonato e di bicarbonato di sodio 16 dal compartimento 10. Peraltro, si estrae una soluzione 17 di acido cloridrico dal compartimento acido 9. La composizione della soluzione acida 17 è sensibilmente identica a quella della soluzione 13. La si ricicla nella soluzione 13 che si muove così in circuito chiuso. Può avvenire che biossido di carbonio (proveniente dalla decomposizione del carbonato di sodio) sfugga dal compartimento 10. Il compartimento 9 che contiene l'acido forma uno schermo tra la membrana bipolare e il gas carbonico che si forma nella soluzione di carbonato di sodio a causa della decomposizione. Si evita così un deterioramento della membrana bipolare.

Gli esempi che seguono servono ad illustrare la presente invenzione.

Esempio 1 (di riferimento)

Si è fatta funzionare una cella del tipo a due compartimenti, questi essendo delimitati tra una membrana cationica e due membrane bipolari, situate rispettivamente da una parte e dall'altra della membrana cationica (le membrane bipolari essendo situate nella cella in modo da avere la loro faccia cationica rivolta verso il catodo). La superficie di ciascuna delle membrane bipolari è di 7 cm2. Il compartimento definito tra la membrana cationica e la faccia anionica di una delle membrane bipolari è stato alimentato con acqua demineralizzata e l'altro compartimento è stato alimentato con una soluzione acquosa di carbonato di sodio (contenente circa 100-120 g di Na2C03/kg e 10-30 g di NaHC03/kg). Nella cella si è mantenuta una temperatura sostanzialmente uniforme di 50°C e si è realizzata l'elettrodialisi con una densità di corrente di 1,5 kA per m2 di superficie di ciascuna membrana bipolare. Nel corso del tempo si è misurata la differenza di potenziale tra le due facce di ciascuna delle membrane bipolari per mezzo di capillari di Luggin. I risultati delle misurazioni sono riportati nella tabella che segue, le due membrane bipolari essendo denominate rispettivamente "Membrana 1" e "Membrana 2".

Esempio 2 (conforme all'invenzione)

In questo esempio, secondo l'invenzione, si è impiegata una cella del tipo a tre compartimenti, questi essendo delimitati tra una membrana bipolare e due membrane cationiche situate rispettivamente da una parte e dall'altra della membrana cationica (la membrana bipolare essendo situata nella cella in modo da avere la sua faccia cationica rivolta verso il catodo) . La superficie della membrana bipolare è 7 cm2. Il compartimento che comprende la faccia anionica della membrana bipolare è stato alimentato con acqua demineralizzata, il compartimento che comprende la faccia cationica della membrana bipolare è stato alimentato con una soluzione acquosa di acido cloridrico (al 4% in peso) e il terzo compartimento è stato alimentato con una soluzione acquosa di carbonato di sodio (contenente circa da 100 a 120 g di Na2CC3/kg e da 10 a 30 g di NaHCC3/kg). Nella cella si è mantenuta una temperatura sostanzialmente uniforme di 50°C e si è realizzata l'elettrodialisi sotto una densità di corrente di l,5kA per m2 di superficie della membrana bipolare. Come nell'esempio 1, si è misurata la differenza di potenziale tra le due facce della membrana bipolare, per mezzo di capillari di Luggin. I risultati delle misure sono riportati nella tabella che segue.

Un confronto dei risultati degli esempi 1 e 2 mette in evidenza immediatamente il progresso realizzato dalla presente invenzione per ciò che riguarda la tensione nelle membrane bipolari.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Procedimento di fabbricazione di idrossido di sodio mediante elettrodialisi di carbonato di sodio, caratterizzato dal fatto che si impiega una cella di elettrodialisi a tre compartimenti, si introduce una soluzione acquosa di carbonato di sodio in un compartimento della cella, che è delimitato tra due membrane cationiche, si introduce un acido in un compartimento che è delimitato tra una delle membrane cationiche e una faccia cationica di una membrana bipolare e si estrae una soluzione acquosa di idrossido di sodio da un compartimento che è adiacente ad una faccia anionica della membrana bipolare.
2) Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che si regola un pH alcalino nel compartimento nel quale si introduce la soluzione di carbonato di sodio.
3) Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che si regola un pH da 9 a 11 nel compartimento nel quale si introduce la soluzione di carbonato di sodio e un pH da 0 a 0,5 nel compartimento nel quale si introduce l'acido.
4) Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che la soluzione acquosa di carbonato di sodio contiene bicarbonato di sodio e viene ottenuta mediante dissoluzione di sesquicarbonato di sodio in acqua.
5) Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che la soluzione di carbonato di sodio viene ottenuta mediante dissoluzione di trona in acqua.
6) Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che si impiega, come acido, una soluzione acquosa di acido cloridrico.
7) Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che si sceglie l'acido tra gli ossiacidi idrosolubili.
8) Procedimento secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che si sceglie un ossiacido il cui anione presenta un diametro ionico superiore a 1,8 A.
9) Procedimento secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che si sceglie l'acido tra acido solforico e acido nitrico.
10) Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto che si impiega una membra bipolare ottenuta mediante giustapposizione di una membrana anionica e di una membrana cationica.