Produzione diretta di acido cloridrico anodico e caustica catodica durante l'elettrolisi dell'acqua

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20494 (2016) Citare questo articolo

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L'acido cloridrico (HCl) e la sostanza caustica (NaOH) sono tra le sostanze chimiche più utilizzate nell'industria dell'acqua. La produzione elettrochimica anodica diretta di HCl mediante elettrolisi dell'acqua non ha avuto successo poiché gli attuali elettrodi disponibili in commercio sono soggetti alla formazione di cloro. Questo studio presenta una tecnologia innovativa che genera simultaneamente HCl e NaOH da NaCl utilizzando un elettrodo di evoluzione dell'ossigeno Mn0.84Mo0.16O2.23 durante l'elettrolisi dell'acqua. I risultati hanno mostrato che i protoni potrebbero essere generati anodicamente con un'elevata efficienza Coulombiana (cioè ≥ 95%) con la formazione di cloro che rappresenta il 3 ~ 5% della carica fornita. L'HCl è stato prodotto anodicamente a resistenze moderate con un CE del 65 ± 4% insieme a un CE dell'89 ± 1% per la produzione caustica catodica. La riduzione della CE per la generazione di HCl è stata causata dal crossover dei protoni dall'anodo al compartimento centrale. Nel complesso, questo studio ha mostrato il potenziale della generazione simultanea di HCl e NaOH da NaCl e rappresenta un importante passo avanti per l’industria dell’acqua verso la produzione in loco di HCl e NaOH. In questo studio, la salamoia artificiale è stata utilizzata come fonte di ioni sodio e cloruro. In teoria, la salamoia artificiale potrebbe essere sostituita da flussi di rifiuti salini come il concentrato di osmosi inversa (ROC), trasformando il ROC in una risorsa preziosa.

L'acido cloridrico (HCl) e la soda caustica (NaOH) sono entrambi prodotti chimici ampiamente utilizzati per il trattamento dell'acqua e delle acque reflue1,2. La sostanza caustica viene prodotta principalmente nel processo cloro-alcali mediante elettrolisi del cloruro di sodio (NaCl) con concomitante produzione di cloro2,3. Sebbene l'HCl non possa essere sintetizzato direttamente in questo processo, può essere formato bruciando cloro e idrogeno gassoso prodotti nel catodo3. Tuttavia, il trasporto, lo stoccaggio e la movimentazione di HCl concentrato e NaOH comportano seri problemi di salute e sicurezza sul lavoro per il settore idrico. Poiché nella maggior parte dei casi entrambi i composti vengono utilizzati a concentrazioni relativamente basse dall'industria dell'acqua, esiste un interesse generale nella generazione in loco di soluzioni di HCl e NaOH a concentrazione moderata per evitare i problemi sopra menzionati. La generazione in loco eviterebbe inoltre la fase di concentrazione e quindi ridurrebbe il consumo energetico complessivo.

I protoni (H+) e gli ioni idrossido (OH−) potrebbero essere prodotti mediante elettrolisi dell'acqua utilizzando una cella elettrochimica a due camere con l'anodo alimentato con acqua contenente NaCl e il catodo alimentato con acqua pulita. Tuttavia, i materiali anodici attualmente disponibili in commercio, come il titanio rivestito con ossido di metallo misto (MMO) e il diamante drogato con boro (BDD), sono soggetti alla formazione di cloro anche a basse concentrazioni di cloruro4,5,6. Di conseguenza, questi materiali non consentono la produzione diretta di HCl da soluzioni di NaCl.

Per evitare la formazione di cloro, è stato proposto un sistema elettrochimico a cinque compartimenti (cioè elettrodialisi a membrana bipolare) per la generazione simultanea di acido e sostanza caustica da concentrati di osmosi inversa7. Sebbene sia stata dimostrata la fattibilità della produzione simultanea di acido e sostanza caustica, si prevede che la fattibilità pratica ed economica sarà limitata a causa della complessa configurazione del reattore e dei grandi requisiti energetici del sistema causati dall'uso di membrane multiple.

Precedenti studi hanno dimostrato che il rivestimento degli elettrodi di titanio con ossidi di manganese-molibdeno invece di MMO Ir ha ridotto notevolmente l'attività elettrocatalitica verso la formazione di ipoclorito8,9,10,11. Mentre questi studi miravano a generare idrogeno dall’acqua di mare in condizioni blande alcaline o acide utilizzando celle elettrochimiche indivise, i risultati suggeriscono che questo materiale potrebbe potenzialmente prevenire la formazione di cloro durante la produzione di acido cloridrico a concentrazioni moderate. È stato infatti ipotizzato che i rivestimenti a base di MnO2 possano fungere da barriera alla diffusione per gli ioni cloruro. Ciò consente la formazione di un elevato grado di polarizzazione della concentrazione, aumentando così il sovrapotenziale di concentrazione per la reazione di evoluzione del cloro. Di conseguenza, è favorita l'evoluzione dell'ossigeno derivante dall'ossidazione dell'acqua12. In questo lavoro, ipotizziamo quindi che senza il verificarsi della formazione di cloro anodico, sarebbe fattibile utilizzare l'anodo MnxMoyOz per produrre simultaneamente HCl e NaOH senza la necessità di due membrane bipolari aggiuntive e acqua deionizzata come mezzo nel suddetto elettrochimico sistema7. Pertanto, il nostro sistema proposto può funzionare con una resistenza ohmica molto più bassa e quindi consuma meno energia.