水の電気分解中の陽極塩酸と陰極苛性アルカリの直接生成

Scientific Reports volume 6、記事番号: 20494 (2016) この記事を引用

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メトリクスの詳細

塩酸 (HCl) と苛性アルカリ (NaOH) は、水産業で最も広く使用されている化学物質の 1 つです。 現在市販されている電極は塩素を生成しやすいため、水の電気分解による直接陽極電気化学的 HCl の生成は成功していません。 この研究では、水の電気分解中に Mn0.84Mo0.16O2.23 酸素発生電極を使用して、NaCl から HCl と NaOH を同時に生成する革新的な技術を紹介します。 結果は、供給された電荷の 3 ～ 5% を占める塩素生成により、高いクーロン効率 (つまり 95% 以上) で陽極的にプロトンを生成できることを示しました。 HCl は、陰極苛性生成の CE 89 ± 1% とともに 65 ± 4% の CE で中程度の強度で陽極生成されました。 ＨＣｌ生成によるＣＥの減少は、アノードから中間コンパートメントへのプロトンクロスオーバーによって引き起こされた。 全体として、この研究は、NaCl から HCl と NaOH を同時に生成できる可能性を示し、HCl と NaOH のオンサイト生産に向けた水道業界の大きな前進を示しています。 この研究では、ナトリウムおよび塩化物イオンの供給源として人工塩水を使用しました。 理論的には、人工塩水を逆浸透濃縮濃縮物 (ROC) などの塩水廃棄物ストリームに置き換えることができ、ROC を貴重な資源に変えることができます。

塩酸 (HCl) と苛性ソーダ (NaOH) は、どちらも水と廃水の処理に広く使用されている化学物質です1、2。 苛性アルカリは主に、塩素の生成を伴う塩化ナトリウム (NaCl) の電気分解による塩素アルカリプロセスで生成されます 2,3。 このプロセスでは HCl を直接合成することはできませんが、陰極で生成される塩素と水素ガスを燃焼させることによって生成できます 3。 しかし、濃 HCl と NaOH の輸送、保管、取り扱いには、水産業にとって深刻な労働安全衛生 (OH&S) の懸念が伴います。 ほとんどの場合、どちらの化合物も水道業界では比較的低濃度で使用されるため、前述の問題を回避するために中強度の HCl および NaOH 溶液を現場で生成することに一般的な関心が集まっています。 オンサイトでの発電は濃縮ステップも回避できるため、全体のエネルギー消費量も削減されます。

プロトン (H+) と水酸化物イオン (OH-) は、陽極に NaCl 含有水が供給され、陰極にきれいな水が供給される 2 室の電気化学セルを使用した水の電気分解によって生成できます。 しかし、混合金属酸化物 (MMO) でコーティングされたチタンやホウ素ドープ ダイヤモンド (BDD) など、現在市販されているアノード材料は、低塩化物濃度でも塩素が生成されやすい4、5、6。 したがって、これらの材料では、NaCl 溶液から HCl を直接生成できません。

塩素の生成を避けるために、逆浸透濃縮液から酸と苛性物質を同時に生成するための 5 コンパートメント電気化学システム (つまり、双極膜電気透析) が提案されました 7。 酸と苛性剤の同時製造の実現可能性は実証されましたが、複雑な反応器構成と複数の膜の使用によるシステムの大きなエネルギー要件により、実用的かつ経済的な実現可能性は制限されることが予想されます。

以前の研究では、Ir MMO の代わりにマンガン - モリブデン酸化物でチタン電極をコーティングすると、次亜塩素酸塩の生成に対する電極触媒活性が著しく低下することが示されました 8,9,10,11。 これらの研究は、分割されていない電気化学セルを使用して、弱アルカリ性または酸性条件下で海水から水素を生成することを目的としていましたが、結果は、この材料が中程度の強度での塩酸の生成中に塩素の生成を防ぐ可能性があることを示唆しています。 実際、MnO2 ベースのコーティングは塩化物イオンに対する拡散障壁として機能する可能性があるという仮説が立てられています。 これにより、高度な濃度分極の形成が可能になり、塩素発生反応の濃度過電圧が増加します。 その結果、水の酸化による酸素の発生が促進されます12。 したがって、この研究では、陽極塩素の生成が起こらず、MnxMoyOz アノードを使用して、上記の電気化学反応の媒体として 2 つの追加の双極膜と脱イオン水を必要とせずに、HCl と NaOH を同時に生成することが可能であるという仮説を立てています。システム７． したがって、私たちが提案するシステムははるかに低いオーム抵抗で動作できるため、消費電力が少なくなります。