Ácido clorídrico anódico direto e produção cáustica catódica durante a eletrólise da água

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 20494 (2016) Citar este artigo

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O ácido clorídrico (HCl) e o cáustico (NaOH) estão entre os produtos químicos mais utilizados pela indústria de água. A produção eletroquímica anódica direta de HCl por eletrólise da água não foi bem-sucedida, pois os eletrodos disponíveis comercialmente são propensos à formação de cloro. Este estudo apresenta uma tecnologia inovadora gerando 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 podem ser gerados anodicamente com uma alta eficiência coulômbica (ou seja, ≥ 95%) com formação de cloro respondendo por 3 ~ 5% da carga fornecida. HCl foi produzido anodicamente em resistências moderadas a um CE de 65 ± 4% junto com um CE de 89 ± 1% para produção cáustica catódica. A redução na CE para geração de HCl foi causada pelo cruzamento de prótons do ânodo para o compartimento intermediário. No geral, este estudo mostrou o potencial da geração simultânea de HCl e NaOH a partir de NaCl e representa um grande passo à frente para a indústria de 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 no tratamento de água e esgoto1,2. A cáustica é produzida 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 gás hidrogênio produzidos no cátodo3. No entanto, o transporte, armazenamento e manuseio de HCl e NaOH concentrados trazem sérias preocupações de saúde e segurança ocupacional (OH&S) para a indústria de água. Como na maioria dos casos ambos os compostos são usados ​​em concentrações relativamente baixas pela indústria de água, há um interesse geral na geração no local de soluções de HCl e NaOH de força moderada para evitar os problemas mencionados acima. A geração no local também evitaria a etapa de concentração e, assim, reduziria o consumo geral de energia.

Prótons (H+) e íons de hidróxido (OH-) podem ser produzidos por eletrólise da água usando uma célula eletroquímica de duas câmaras com ânodo sendo alimentado com NaCl contendo água e cátodo alimentado com água limpa. No entanto, os materiais de ânodo 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 cloreto4,5,6. Consequentemente, esses materiais não permitem a produção direta de HCl a partir de soluções de NaCl.

Para evitar a formação de cloro, um sistema eletroquímico de cinco compartimentos (ou seja, eletrodiálise de membrana bipolar) foi proposto para geração simultânea de ácido e cáustica 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 econômica seja limitada devido à configuração complexa do reator e aos grandes requisitos de energia do sistema causados ​​pelo uso 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 hipoclorito8,9,10,11. Considerando que esses estudos visavam gerar hidrogênio a partir da água do mar em condições alcalinas ou ácidas suaves usando células eletroquímicas não divididas, os resultados sugerem que esse material poderia potencialmente impedir a formação de cloro durante a produção de ácido clorídrico em concentrações moderadas. De fato, foi levantada a hipótese de que revestimentos à base de MnO2 podem atuar como uma barreira de difusão para íons cloreto. Isso permite a formação de um alto grau de polarização de concentração, aumentando assim o sobrepotencial de concentração para a reação de evolução do cloro. Consequentemente, a evolução do oxigênio 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 na reação eletroquímica acima mencionada. sistema7. Portanto, nosso sistema proposto pode operar com uma resistência ôhmica muito menor e, portanto, consome menos energia.