Produção direta de ácido clorídrico anódico e cáustico catódico durante a eletrólise da água

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 20494 (2016) Citar este artigo

10 mil acessos

44 citações

Detalhes das métricas

O ácido clorídrico (HCl) e o cáustico (NaOH) estão entre os produtos químicos mais utilizados pela indústria da água. A produção eletroquímica anódica direta de HCl por eletrólise da água não foi bem-sucedida, pois os eletrodos atuais disponíveis comercialmente são propensos à formação de cloro. Este estudo apresenta uma tecnologia inovadora que gera simultaneamente HCl e NaOH a partir de NaCl usando um eletrodo de evolução de oxigênio Mn0.84Mo0.16O2.23 durante a eletrólise da água. Os resultados mostraram que os prótons poderiam ser gerados anodicamente com uma alta eficiência coulombiana (ou seja, ≥ 95%) com a formação de cloro representando 3 ~ 5% da carga fornecida. O HCl foi produzido anodicamente com resistências moderadas a um CE de 65 ± 4% juntamente com um CE de 89 ± 1% para produção cáustica catódica. A redução no CE para geração de HCl foi causada pelo cruzamento de prótons do ânodo para o compartimento intermediário. No geral, este estudo mostrou o potencial de geração simultânea de HCl e NaOH a partir de NaCl e representa um grande passo em frente para a indústria da água em direção à produção local de HCl e NaOH. Neste estudo, salmoura artificial foi utilizada como fonte de íons sódio e cloreto. Em teoria, a salmoura artificial poderia ser substituída por fluxos de resíduos salinos, como o concentrado de osmose reversa (ROC), transformando o ROC em um recurso valioso.

O ácido clorídrico (HCl) e a soda cáustica (NaOH) são produtos químicos amplamente utilizados para tratamento de água e águas residuais1,2. O cáustico é produzido principalmente no processo cloro-álcali pela eletrólise do cloreto de sódio (NaCl) com produção concomitante de cloro2,3. Embora o HCl não possa ser sintetizado diretamente neste processo, ele pode ser formado pela queima de cloro e hidrogênio gasoso produzido no cátodo3. No entanto, o transporte, armazenamento e manuseamento de HCl concentrado e NaOH trazem sérias preocupações de saúde e segurança ocupacional (SSO) para a indústria da água. Como na maioria dos casos ambos os compostos são utilizados em concentrações relativamente baixas pela indústria da água, existe um interesse geral na geração no local de soluções moderadas de HCl e NaOH para evitar os problemas acima mencionados. A geração no local também evitaria a etapa de concentração e, assim, reduziria o consumo geral de energia.

Prótons (H+) e íons hidróxido (OH−) poderiam ser produzidos por eletrólise da água usando uma célula eletroquímica de duas câmaras com ânodo alimentado com NaCl contendo água e cátodo alimentado com água limpa. No entanto, os materiais anódicos atualmente disponíveis comercialmente, como titânio revestido com óxido metálico misto (MMO) e diamante dopado com boro (BDD), são propensos à formação de cloro, mesmo em baixas concentrações de cloreto . Consequentemente, estes materiais não permitem a produção direta de HCl a partir de soluções de NaCl.

Para evitar a formação de cloro, foi proposto um sistema eletroquímico de cinco compartimentos (ou seja, eletrodiálise de membrana bipolar) para geração simultânea de ácido e cáustico a partir de concentrados de osmose reversa7. Embora a viabilidade da produção simultânea de ácido e cáustico tenha sido demonstrada, espera-se que a viabilidade prática e económica seja limitada devido à configuração complexa do reactor e aos grandes requisitos de energia do sistema causados ​​pela utilização de múltiplas membranas.

Estudos anteriores mostraram que o revestimento de eletrodos de titânio com óxidos de manganês-molibdênio em vez de Ir MMO diminuiu notavelmente a atividade eletrocatalítica para a formação de hipoclorito . Embora estes estudos tenham como objetivo gerar hidrogénio a partir da água do mar sob condições alcalinas suaves ou ácidas utilizando células eletroquímicas indivisas, os resultados sugerem que este material poderia potencialmente prevenir a formação de cloro durante a produção de ácido clorídrico em concentrações moderadas. Na verdade, foi levantada a hipótese de que os revestimentos à base de MnO2 podem atuar como uma barreira de difusão para íons cloreto. Isto permite a formação de um alto grau de polarização de concentração, aumentando assim o sobrepotencial de concentração para a reação de evolução de cloro. Consequentemente, a evolução do oxigénio a partir da oxidação da água é favorecida12. Neste trabalho, portanto, levantamos a hipótese de que sem a ocorrência de formação de cloro anódico, seria viável usar o ânodo MnxMoyOz para produzir simultaneamente HCl e NaOH sem a necessidade de duas membranas bipolares adicionais e água deionizada como meio no processo eletroquímico mencionado acima. sistema7. Conseqüentemente, nosso sistema proposto pode operar com uma resistência ôhmica muito menor e, portanto, consumir menos energia.