JP2022129759A - Method for producing ammonium persulfate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、過硫酸アンモニウムの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing ammonium persulfate.
硫酸アンモニウムは硫安とも呼ばれ、かつては目的物として合成されていたが、現在は主にカプロラクタムやラウロラクタム、アクリロニトリル、メタクリル酸メチルといった有機化学工業や石炭乾留によるコークス製造工程で副生されるものが流通している。硫酸アンモニウムはアンモニア態窒素を20%程度含有するので肥料として利用することが可能であり、前述した工程で副生した硫酸アンモニウムの大部分は肥料用として利用されている。従来、硫酸アンモニウムを副生しないカプロラクタムやアクリロニトリル、メタクリル酸メチルの製法が開発されてきた。ところがこれらの製法はプロセスが複雑であることや、既存製法からの転換が容易でないといった課題を有する。そのため、未だに多くの硫酸アンモニウムが副生している。 Ammonium sulfate, also known as ammonium sulfate, was once synthesized as a target product, but today it is mainly produced as a by-product in the organic chemical industry, such as caprolactam, laurolactam, acrylonitrile, and methyl methacrylate, and in the coke manufacturing process by coal distillation. in circulation. Since ammonium sulfate contains about 20% ammonia nitrogen, it can be used as a fertilizer, and most of the ammonium sulfate produced as a by-product in the above-described process is used as a fertilizer. Conventionally, methods for producing caprolactam, acrylonitrile, and methyl methacrylate that do not produce ammonium sulfate as a by-product have been developed. However, these production methods have problems such as complicated processes and difficulty in conversion from existing production methods. Therefore, a large amount of ammonium sulfate is still by-produced.
一方、過硫酸アンモニウムは、主に乳化重合の重合開始剤や酸化漂白剤、銅エッチング剤等で広く工業的に利用されている。過硫酸アンモニウムのこれまで知られてきた製造方法としては、特許文献1に記載されているように電解槽に隔膜として陽イオン交換膜を用いて、陽極側原料として硫酸アンモニウム水溶液を用いて、陰極側原料の酸解離可能な水素イオン量を制御することにより、陰極液中(以下、陰極電解液と称する場合がある)に硫酸由来の水素イオンが存在する範囲では下記反応式(1)が優先され、陰極側生成物として水素を発生させるが、酸由来の水素イオン欠乏後は下記反応式(2)を優先されることにより、アンモニアを生成させる方法や、特許文献2に記載されているように陽極と陰極の間に隔膜などのセパレーターを用いない無隔膜電解法及び、特許文献3に記載されているように陰極側原料として硫酸と硫安の混合溶液を用いる方法の様に、陰極側の電解反応は全て下記反応式(1)の硫酸由来の水素イオンが水素分子となる反応のみが実施される方法が知られている。
2H+ + 2e- → H2 (1)
2NH4
+ + 2e- → 2NH3 + H2 (2)
On the other hand, ammonium persulfate is widely industrially used mainly as a polymerization initiator for emulsion polymerization, an oxidation bleaching agent, a copper etching agent, and the like. As a known method for producing ammonium persulfate, as described in
2H + + 2e − → H 2 (1)
2NH 4 + + 2e − → 2NH 3 + H 2 (2)
過硫酸アンモニウムの生産において、通常過硫酸アンモニウムは電解工程で得られた硫酸アンモニウムと過硫酸アンモニウムの混合溶液を、晶析工程で脱水濃縮により過硫酸アンモニウムのみ析出させ、得られたスラリーを固液分離・乾燥することで過硫酸アンモニウム結晶を製造するが、晶析工程で過硫酸アンモニウムのみを効率的に析出させるためには、前段電解工程の生成液について、電解原料である硫酸アンモニウム濃度が目的生成物の過硫酸アンモニウムよりも薄いかつ濃度差が大きいほど有利である。しかし、電解工程で反応原料である硫酸アンモニウム濃度が低い領域では、電流効率が著しく低下するため、電力費用が悪化するという問題があった。 In the production of ammonium persulfate, the mixed solution of ammonium sulfate and ammonium persulfate obtained in the electrolysis process is usually dehydrated and concentrated in the crystallization process to precipitate only ammonium persulfate, and the resulting slurry is solid-liquid separated and dried. However, in order to efficiently deposit only ammonium persulfate in the crystallization process, the concentration of ammonium sulfate, which is the raw material for electrolysis, is lower than that of the target product, ammonium persulfate, in the solution produced in the preceding electrolysis process. Moreover, the greater the density difference, the more advantageous. However, in the region where the concentration of ammonium sulfate, which is a reaction raw material in the electrolysis step, is low, the current efficiency is significantly lowered, resulting in a problem of worsening power costs.
特許文献1には、陽極と陰極が陽イオン交換膜で隔てられた電解槽の両側に30~45重量%の硫酸アンモニウム水溶液を供給し、分極剤としてスルファミン酸グアニジンを使用することで、高電流効率で過硫酸アンモニウムを製造しかつアンモニアを併産することが記載されているが、この方法は反応原料の硫酸アンモニウムが濃い30重量%以上の領域についてのみ述べられており、電流効率が低下する硫酸アンモニウム低濃度領域に関しての電流効率については述べられていない。
In
特許文献2には、陽極と陰極を隔てる隔膜 (セパレーター)を使用しない無隔膜電解槽に、6価のクロムイオンを添加した硫酸アンモニウム水溶液もしくは硫酸アンモニウムと過硫酸アンモニウムの混合溶液を供給し電解する事で、陽極で生成された過硫酸アンモニウムが陰極で還元分解される事が抑制され、無隔膜電解でも高い電流効率で過硫酸アンモニウムを製造することが記載されている。しかし、これについても電解原料中の硫酸アンモニウム濃度は30重量%以上と高い領域についてのみ述べられており、硫酸アンモニウムが低濃度の領域については述べられておらず、加えて陽極では高価なダイヤモンド電極を使用するため、工業的に実用化が困難である。
In
特許文献3には、多孔質中性アルミナ隔膜板で仕切った電解槽に、30~44重量%の硫酸アンモニウム水溶液を供給し、分極剤としてチオシアン酸塩、シアン化物、シアン酸塩、フッ化物等を添加して電解する事で、高い電流効率で過硫酸アンモニウムを製造することが記載されているが、これも電解原料中の硫酸アンモニウム濃度は30重量%以上と高い領域についてのみ述べられており、硫酸アンモニウムが低濃度の領域については述べられていない。 In Patent Document 3, 30 to 44% by weight of ammonium sulfate aqueous solution is supplied to an electrolytic cell partitioned by a porous neutral alumina diaphragm plate, and thiocyanate, cyanide, cyanate, fluoride, etc. are added as a polarizing agent. It is described that ammonium persulfate is produced with high current efficiency by adding and electrolyzing. No regions of low concentration are mentioned.
そこで、本発明は、硫酸アンモニウムの電解反応において、電流効率が著しく低下する硫酸アンモニウムの低濃度領域においても、高い電流効率での過硫酸アンモニウムの製造方法の提供を目的とするものである。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for producing ammonium persulfate with high current efficiency in the electrolysis reaction of ammonium sulfate even in a low concentration region of ammonium sulfate where the current efficiency is significantly reduced.
本発明は、電流効率が著しく低下する硫酸アンモニウムの低濃度領域においても、高い電流効率で過硫酸アンモニウムを製造する方法の提供に関するものであり、以下の構成を有する。すなわち、本発明は、硫酸アンモニウムを電解して過硫酸アンモニウムを製造する方法において、陽極液(以下、陽極電解液と称する場合がある)に、カルシウムイオンが存在する状態で電解を行うことを特徴とする、過硫酸アンモニウムの製造方法である。 The present invention relates to the provision of a method for producing ammonium persulfate with high current efficiency even in a low ammonium sulfate concentration region where the current efficiency is remarkably lowered, and has the following configuration. That is, the present invention is characterized in that in the method of producing ammonium persulfate by electrolyzing ammonium sulfate, electrolysis is performed in the presence of calcium ions in the anolyte (hereinafter sometimes referred to as anolyte). , a method for the production of ammonium persulfate.
本発明によれば、硫酸アンモニウムの電解反応において、電流効率が著しく低下する硫酸アンモニウムの低濃度領域においても、高い電流効率で過硫酸アンモニウムを製造することが可能となる。 According to the present invention, in the electrolytic reaction of ammonium sulfate, it is possible to produce ammonium persulfate with high current efficiency even in a low concentration region of ammonium sulfate where the current efficiency drops significantly.
以下に、本発明について、実施の形態とともにさらに詳細に説明する。 The present invention will be described in further detail below together with embodiments.
本発明に係る過硫酸アンモニウムの製造方法は、硫酸アンモニウムを電解して過硫酸アンモニウムを製造する方法において、陽極液に、カルシウムイオンが存在する状態で電解を行うことを特徴とする方法である。 The method for producing ammonium persulfate according to the present invention is a method for producing ammonium persulfate by electrolyzing ammonium sulfate, wherein the electrolysis is performed in the presence of calcium ions in the anolyte.
硫酸アンモニウムの電解反応において、電流効率が著しく低下する硫酸アンモニウムの低濃度領域においても、高い電流効率で過硫酸アンモニウムを製造することが可能とするために、本発明では陽極電解液中にカルシウムイオンが存在する状態で電解を行うことが必須である。 In the electrolytic reaction of ammonium sulfate, even in a low concentration region of ammonium sulfate where the current efficiency is significantly reduced, in order to make it possible to produce ammonium persulfate with high current efficiency, in the present invention, calcium ions are present in the anolyte. It is essential to carry out electrolysis in this state.
本発明の陽極電解液中のカルシウムイオン濃度は、2~15ppmが望ましく、5~9ppmがより望ましい。この濃度範囲外での添加では、電流効率低下抑制の効果が薄く高い電流効率を得ることができない場合がある。添加するカルシウムイオンのイオン源としては、カルシウムを含む化合物として、例えば炭酸カルシウム、硝酸カルシウム、および塩化カルシウム等があり、これらから選ばれる少なくとも1種の化合物でよい。 The calcium ion concentration in the anode electrolyte of the present invention is desirably 2-15 ppm, more desirably 5-9 ppm. If the concentration is outside this range, the effect of suppressing a decrease in current efficiency may be small, and high current efficiency may not be obtained. As an ion source of calcium ions to be added, compounds containing calcium include, for example, calcium carbonate, calcium nitrate, and calcium chloride, and at least one compound selected from these may be used.
本発明の陽極側原料としては硫酸アンモニウムを用いることができ、硫酸アンモニウムの濃度については特に限定されないが、高い電流効率を維持するために、20重量%以下の濃度が好ましい。また、硫酸アンモニウム以外の原料を含んでもよく、例えば硫酸などの酸、水酸化アンモニウムなどの塩基、分極剤などの水溶性固体を添加しても良い。分極剤については、既知の過硫酸塩の製造に有利なものであれば特に限定されないが、グアニジン、グアニジン塩、チオシアン酸塩、シアン化物、シアン酸塩、フッ化物などが好ましく、グアニジン、グアニジン塩およびチオシアン酸塩から選ばれる少なくとも1種の化合物であることがより好ましい。グアニジン塩としては、スルファミン酸グアニジン、硝酸グアニジン、硫酸グアニジン、リン酸グアニジンまたは炭酸グアニジンなどが挙げられる。分極剤の濃度は、陽極室内において、0.01~1重量%が好ましく、0.01~0.05重量%がより好ましい。分極剤濃度が0.01重量%未満では過硫酸イオンを生成する主反応の優位性を高める効果がほとんど得られず、1重量%を超えると濃度に見合う効果が得られない。 Ammonium sulfate can be used as the anode-side raw material in the present invention, and although the concentration of ammonium sulfate is not particularly limited, a concentration of 20% by weight or less is preferable in order to maintain high current efficiency. Moreover, raw materials other than ammonium sulfate may be included, and for example, an acid such as sulfuric acid, a base such as ammonium hydroxide, or a water-soluble solid such as a polarizing agent may be added. The polarizing agent is not particularly limited as long as it is advantageous for the production of known persulfates. and at least one compound selected from thiocyanate. Guanidine salts include guanidine sulfamate, guanidine nitrate, guanidine sulfate, guanidine phosphate and guanidine carbonate. The concentration of the polarizing agent is preferably 0.01 to 1% by weight, more preferably 0.01 to 0.05% by weight, in the anode chamber. If the concentration of the polarizing agent is less than 0.01% by weight, the effect of increasing the dominance of the main reaction that produces persulfate ions is hardly obtained, and if it exceeds 1% by weight, the effect corresponding to the concentration cannot be obtained.
本発明の陰極側原料としては、特に制限はないが、硫酸などの酸、水酸化アンモニウムのような塩基、硫酸アンモニウムのような水溶性の塩を含む水溶液を用いることが可能であり、陰極側原料として硫酸アンモニウム水溶液または水酸化アンモニウム水溶液を用いることが好ましい。より好ましくは、電圧の観点から、硫酸アンモニウム水溶液を用いることである。 The cathode-side raw material of the present invention is not particularly limited, but it is possible to use an aqueous solution containing an acid such as sulfuric acid, a base such as ammonium hydroxide, or a water-soluble salt such as ammonium sulfate. It is preferable to use an aqueous ammonium sulfate solution or an aqueous ammonium hydroxide solution as the solvent. From the viewpoint of voltage, it is more preferable to use an ammonium sulfate aqueous solution.
かかる水溶液は、電解質を含有するため電気抵抗を低減可能で、隔膜を隔てた陽極側原料と同一組成のイオンで構成され、陰極反応に供される硫酸由来の水素イオンが存在しないため、アンモニアの副生量を増加させることが可能であり、加えて陰極側の材質選定の面からも酸を用いることより有利である。 Such an aqueous solution contains an electrolyte, so that the electric resistance can be reduced, and the aqueous solution is composed of ions of the same composition as the anode-side raw material separated by a diaphragm, and does not contain hydrogen ions derived from sulfuric acid that are subjected to the cathode reaction. It is possible to increase the amount of by-products, and in addition, it is more advantageous than using acid in terms of material selection on the cathode side.
本発明の陰極側原料の濃度については特に限定されないが、例えば硫酸アンモニウム水溶液であれば、30~45重量%の濃度範囲がより好ましい。このような高濃度硫酸アンモニウム水溶液を陰極側原料として使用することで、工業的に有利に過硫酸アンモニウムを製造することができる。陽極側、陰極側いずれも原料供給、生成物払出方式についてはバッチ方式でもよいが、工業的には連続方式の方が有利である。 Although the concentration of the cathode-side raw material of the present invention is not particularly limited, for example, in the case of an ammonium sulfate aqueous solution, a concentration range of 30 to 45% by weight is more preferable. By using such a high-concentration ammonium sulfate aqueous solution as a cathode-side raw material, ammonium persulfate can be produced industrially advantageously. Both the anode side and the cathode side may be of a batch system for supplying raw materials and discharging a product, but a continuous system is more advantageous from an industrial point of view.
本発明の陰極側原料を上記の組成とすることにより、陽極液中に硫酸由来の水素イオンが存在する範囲では下記反応式(1)が優先され、陰極側生成物として水素を発生させるが、酸由来の水素イオン欠乏後は下記反応式(2)や下記反応式(3)といった反応が優先される。系内では下記反応式(4)の平衡反応が存在するため、反応式(2)、反応式(3)のいずれの場合においても陰極側生成物として水素およびアンモニアを生成させることができる。
2H+ + 2e- → H2 (1)
2NH4
+ + 2e- → 2NH3 + H2 (2)
2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (3)
NH4
+ + OH- ⇔ NH3 + H2O (4)
By making the cathode side raw material of the present invention have the above composition, the following reaction formula (1) is given priority in the range where hydrogen ions derived from sulfuric acid are present in the anolyte, and hydrogen is generated as a cathode side product. After acid-derived hydrogen ion deficiency, reactions such as the following reaction formula (2) and the following reaction formula (3) are given priority. Since the equilibrium reaction of the following reaction formula (4) exists in the system, hydrogen and ammonia can be produced as cathode-side products in both cases of reaction formula (2) and reaction formula (3).
2H + + 2e − → H 2 (1)
2NH 4 + + 2e − → 2NH 3 + H 2 (2)
2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (3)
NH 4 + + OH − ⇔ NH 3 + H 2 O (4)
本発明において使用する電解槽は特に限定されるものではなく、例えば隔膜で隔てられた陽極室と陰極室に区切られた電解槽が使用できる。箱形電解槽や、フィルタープレス型電解槽を使用することができる。ここで、陽極室と陰極室をへだてる隔膜は、陽極室にて生成する陰イオンの陰極室への泳動を阻害することが出来る隔膜を用いる。隔膜としては、陽イオン交換膜、中性アルミナ隔膜などが挙げられるが、好ましくは陽イオン交換膜が用いられる。 The electrolytic cell used in the present invention is not particularly limited, and for example, an electrolytic cell divided into an anode chamber and a cathode chamber separated by a diaphragm can be used. A box type electrolytic cell or a filter press type electrolytic cell can be used. Here, as the diaphragm separating the anode chamber and the cathode chamber, a diaphragm capable of inhibiting migration of anions generated in the anode chamber to the cathode chamber is used. Examples of the diaphragm include a cation exchange membrane, a neutral alumina diaphragm and the like, and a cation exchange membrane is preferably used.
本発明の陽極としては、導電ダイヤモンド電極、または白金族の電極を用いることが好ましく、電極表面に白金が露出した電極(以下「白金電極」と称する)を用いることがより好ましい。白金電極としては、無垢の白金電極、および白金とチタンなどの金属とを圧着させたクラッド鋼を用いることが好ましく、白金メッキ電極と比較して大幅に電流効率を向上させることが可能となる。陰極としては、鉛、ジルコニウム、白金、ニッケル、ステンレス鋼を用いることが好ましく、ニッケルまたはSUS316を用いることがより好ましい。陽極・陰極いずれも電極の形状に特に制限は無いが、泊や金網状に加工した金属を電極として用いることがより好ましい。 As the anode of the present invention, it is preferable to use a conductive diamond electrode or a platinum group electrode, and it is more preferable to use an electrode in which platinum is exposed on the electrode surface (hereinafter referred to as "platinum electrode"). As the platinum electrode, it is preferable to use a pure platinum electrode or a clad steel in which platinum and a metal such as titanium are pressure-bonded, and it is possible to greatly improve the current efficiency compared to a platinum-plated electrode. As the cathode, lead, zirconium, platinum, nickel, and stainless steel are preferably used, and nickel or SUS316 is more preferably used. There are no particular restrictions on the shape of the electrodes for both the anode and the cathode, but it is more preferable to use a metal processed into the shape of a foil or a wire net as the electrode.
本発明の陽極の電流密度は、20~500A/dm2の範囲にあることが好ましく、40~80A/dm2の範囲にあることがより好ましい。電流密度が下限値を越えて低くなると、電解効率が悪化し、また生産効率が悪化する場合があるため、電解装置のサイズを大きくすることが好ましい。電流密度が上限値を越えて大きくなると電解反応時の印加電圧が高くなりすぎて経済的に不利となる。電解槽内の温度は、40℃以下に保持することが好ましい。電解槽内温度が40℃を越えて高くなると、電解槽内の塩類が分解する反応を抑制することが困難となる。 The current density of the anode of the present invention is preferably in the range of 20-500 A/dm 2 , more preferably in the range of 40-80 A/dm 2 . If the current density falls below the lower limit, the electrolysis efficiency and production efficiency may deteriorate, so it is preferable to increase the size of the electrolysis apparatus. If the current density exceeds the upper limit, the voltage applied during the electrolytic reaction becomes too high, which is economically disadvantageous. It is preferable to keep the temperature in the electrolytic cell at 40° C. or lower. When the temperature in the electrolytic cell exceeds 40° C., it becomes difficult to suppress the decomposition reaction of the salts in the electrolytic cell.
本発明の製造方法を採用することで、高い電流効率で、過硫酸アンモニウムを製造することができる。好ましい条件においては、電流効率80%以上での過硫酸アンモニウムの製造が可能であり、さらに好ましくは電流効率85%以上である。電流効率の上限は理論上100%である。ここで、電流効率(%)は、(生成した過硫酸イオン(mol)×2)/通電量(F)×100で表される値であり、単位通電量当たりに生成した過硫酸イオンの量を測定することで算出することができる。 By adopting the production method of the present invention, ammonium persulfate can be produced with high current efficiency. Under preferable conditions, ammonium persulfate can be produced with a current efficiency of 80% or higher, and more preferably a current efficiency of 85% or higher. The upper limit of current efficiency is theoretically 100%. Here, the current efficiency (%) is a value represented by (generated persulfate ions (mol) x 2)/energization amount (F) x 100, which is the amount of persulfate ions generated per unit amount of electricity. can be calculated by measuring
本発明の陽極室に陽極液を満たした状態で電解反応を実施することにより、陽極液中に過硫酸イオンが生成するため、この陽極生成液を従来技術と同様に、例えば晶析槽へ供給し、溶解度未満となるまで水分を蒸発させることで、過硫酸アンモニウムを析出させることができる。晶析後の過硫酸アンモニウムスラリーは、遠心分離機等の固液分離器により過硫酸アンモニウム結晶と晶析母液とに分離することができる。得られた過硫酸アンモニウム結晶は、粉体乾燥機を用いて乾燥・製品化することができる。また、晶析後の母液は、陽極側原料として工程に再供給することができる。 By carrying out the electrolytic reaction with the anode chamber filled with the anolyte according to the present invention, persulfate ions are generated in the anolyte. Then, the ammonium persulfate can be precipitated by evaporating water until it becomes less than the solubility. The ammonium persulfate slurry after crystallization can be separated into ammonium persulfate crystals and a crystallization mother liquor by a solid-liquid separator such as a centrifuge. The obtained ammonium persulfate crystals can be dried and commercialized using a powder dryer. Also, the mother liquor after crystallization can be re-supplied to the process as an anode-side raw material.
本発明の陰極室については、電解反応の進行とともに電荷移動量分の陽イオンと陽イオンに水和した水分子が陽極から陰極側へ移動し、液量が増加するため、連続運転時には陰極側生成液からこの増加相当分を脱水後に再度陰極側に供給することにより、連続運転が可能となる。陰極側へ移動した水の脱水方法は特に限定されないが、蒸発濃縮または膜分離による脱水が好ましい。脱水量については、電荷移動量に対して一定以上脱水する方が好ましく、陰極生成液に塩等が含まれる場合は脱水により結晶が析出する量以下の脱水量にする方が好ましい。電荷移動量1molあたりの脱水量は、20~90gが好ましく、さらに好ましくは30~80gである。脱水により得られた水にはアンモニアを含んでおり、例えばアンモニア水としてカプロラクタム硫酸塩と混合(中和)し、カプロラクタムと硫酸アンモニウム製造する工程に用いることができる。 In the cathode chamber of the present invention, as the electrolytic reaction progresses, cations corresponding to the charge transfer amount and water molecules hydrated by the cations move from the anode to the cathode side, and the liquid volume increases. Continuous operation becomes possible by resupplying the increased amount from the produced liquid to the cathode side after dehydration. The method of dehydrating the water that has moved to the cathode side is not particularly limited, but dehydration by evaporative concentration or membrane separation is preferred. As for the amount of dehydration, it is preferable to dehydrate more than a certain amount with respect to the amount of charge transfer, and when salt or the like is contained in the catholyte generated liquid, it is preferable to set the amount of dehydration to an amount equal to or less than the amount of crystals precipitated by dehydration. The dehydration amount per 1 mol of charge transfer is preferably 20 to 90 g, more preferably 30 to 80 g. The water obtained by dehydration contains ammonia. For example, it can be mixed (neutralized) with caprolactam sulfate as ammonia water and used in the step of producing caprolactam and ammonium sulfate.
また、陰極側生成液を脱水し、再度陰極側に供給しながら電解を継続することによって、陽極から陰極側へ電荷移動量分の水素イオンとアンモニウムイオンが移動してくるため、陰極室の陰極生成ガスに水素およびアンモニアの混合ガスおよび/または生成液中に水酸化アンモニウム(アンモニア含有水)を生成する。陰極側で生成される水素・アンモニア混合ガスは一般的に用いられるアンモニアガス分離方法、例えば深冷分離や圧縮分離により分離することができる。 In addition, by dehydrating the cathode-side generated liquid and continuing electrolysis while supplying it to the cathode side again, hydrogen ions and ammonium ions corresponding to the amount of charge transfer move from the anode to the cathode side. A mixed gas of hydrogen and ammonia is produced in the produced gas and/or ammonium hydroxide (ammonia-containing water) is produced in the produced liquid. The hydrogen/ammonia mixed gas produced on the cathode side can be separated by a generally used ammonia gas separation method such as cryogenic separation or compression separation.
分離された水素ガスは圧力変動吸着法等を用いて精製圧縮し、有機化学工業の水添工程や、燃料電池用の燃料として利用することができる。 The separated hydrogen gas is refined and compressed by using a pressure swing adsorption method or the like, and can be used in the hydrogenation process in the organic chemical industry or as a fuel for fuel cells.
本発明の過硫酸アンモニウムの製造方法は、先に述べた、ラクタム、アクリロニトリル、メタクリル酸メチルなどの製造工程や、石炭乾留によるコークス製造工程で副生する硫酸アンモニウムを原料として用いることができる。このとき、種々の工程における硫酸アンモニウムを含む副成物には硫酸アンモニウム以外の不純物などが含まれている場合があり、それらの成分や含有量によっては、副反応を起こすことで過硫酸アンモニウムの製造工程における電流効率が低下する場合がある。このような場合は、あらかじめ硫酸アンモニウム中の不純物を精製し、電流効率を低下させる金属イオンを減少させてから過硫酸アンモニウム製造工程に供給することが好ましい。硫酸アンモニウム中の不純物の除去方法としては、例えば無機物であればキレート処理する手法が好ましい。 In the method for producing ammonium persulfate of the present invention, ammonium sulfate, which is a by-product in the above-described process for producing lactam, acrylonitrile, methyl methacrylate, etc., and the process for producing coke by coal dry distillation, can be used as a raw material. At this time, by-products containing ammonium sulfate in various processes may contain impurities other than ammonium sulfate. Current efficiency may decrease. In such a case, it is preferable to purify the impurities in the ammonium sulfate in advance to reduce metal ions that lower the current efficiency, and then supply the ammonium persulfate to the ammonium persulfate production step. As a method for removing impurities in ammonium sulfate, for example, a method of chelating an inorganic substance is preferable.
本発明に係る過硫酸アンモニウムの製造方法の具体的な例として、図1に、陽極と陰極側原料溶液として、硫酸アンモニウム(硫安)溶液を用いた場合について例示する。図1において、1は電解槽を示しており、電解槽1の陽極側2には陽極側原料として、具体的に他製造工程としてのラクタム製造工程4で副生された硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)が供給され、陽極反応としては、従来技術と同様、下記のように、硫酸イオンが反応(消費)して、過硫酸イオンが発生する。
2SO4
2- → S2O8
2- + 2e-
溶存イオンとしては、
電解前:NH4
+、SO4
2- = 硫酸アンモニウム水溶液
電解後:NH4
+、S2O8
2- = 過硫酸アンモニウム水溶液
となり、アンモニウムイオンが陰極側へ泳動するとともに、過硫酸アンモニウム水溶液が生成していく。この陽極側生成液が濃縮晶析され、晶析母液と結晶とに分離され、結晶は例えば粉体乾燥機により過硫酸アンモニウムの塩として製品化できる。晶析母液は陽極側原料として工程に再供給できる。
As a specific example of the method for producing ammonium persulfate according to the present invention, FIG. 1 illustrates a case where an ammonium sulfate (ammonium sulfate) solution is used as the anode and cathode side raw material solutions. In FIG. 1, 1 indicates an electrolytic cell, and on the
2SO 4 2- → S 2 O 8 2- + 2e -
As dissolved ions,
Before electrolysis: NH 4 + , SO 4 2- = aqueous solution of ammonium sulfate After electrolysis: NH 4 + , S 2 O 8 2- = aqueous solution of ammonium persulfate, ammonium ions migrate to the cathode side, and an aqueous solution of ammonium persulfate is produced. go. This anode-side produced liquid is concentrated and crystallized, separated into a crystallization mother liquor and crystals, and the crystals can be manufactured as an ammonium persulfate salt by, for example, a powder dryer. The crystallization mother liquor can be re-supplied to the process as an anode feedstock.
一方、陰極側3では、陰極反応としては、硫酸アンモニウム水溶液が原料とされている場合について説明するに、硫酸アンモニウムを含む水溶液が循環供給され、反応源の水素イオンが無いか乏しいため、下記反応式の如く陽極より泳動したアンモニウムイオンが反応し、アンモニアと水素が生成していく。また、陰極側に酸がある場合には、下記反応式の如く酸由来の水素イオンが反応(消費)し、水素ガスが発生する。
2NH4
+ + 2e- → 2NH3 + H2
2H+ + 2e- → H2(少量の酸がある場合)
On the other hand, on the cathode side 3, to explain the case where an ammonium sulfate aqueous solution is used as a raw material for the cathode reaction, an aqueous solution containing ammonium sulfate is circulated and supplied, and hydrogen ions as a reaction source are absent or scarce. Ammonium ions migrating from the anode react like this to produce ammonia and hydrogen. Further, when there is an acid on the cathode side, hydrogen ions derived from the acid react (consume) as shown in the following reaction formula to generate hydrogen gas.
2NH 4 + + 2e − → 2NH 3 + H 2
2H + + 2e − → H 2 (if there is a small amount of acid)
電解により陽極から陰極側へ電荷移動量分に相当した水素イオン、アンモニウムイオンおよびこれらイオンに水和した分の水分子が移動する。 Hydrogen ions and ammonium ions corresponding to the amount of charge transfer and water molecules hydrated by these ions are transferred from the anode to the cathode side by electrolysis.
また、図2には外部タンク14、15と電解槽の間で液を循環させながら電解する場合について例示する。図2において、11は電解槽を示しており、電解槽11の陽極側12には陽極側原料として、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)が循環供給され、陽極反応としては、従来技術と同様に、硫酸イオンが反応(消費)して、過硫酸イオンが発生する。この陽極側生成液が濃縮晶析され、晶析母液と結晶とに分離され、結晶は例えば粉体乾燥機により過硫酸アンモニウムの塩として製品化できる。晶析母液は陽極側原料として工程に再供給できる。
In addition, FIG. 2 illustrates the case where electrolysis is performed while the liquid is circulated between the
一方、陰極側13では、陰極反応としては、硫酸アンモニウムを含む水溶液が供給され、反応源の水素イオンが無いか乏しいため、陽極より泳動したアンモニウムイオンが反応し、アンモニアと水素が生成していく。また、陰極側に酸がある場合には、酸由来の水素イオンが反応(消費)し、水素ガスが発生する。電解により陽極から陰極側へ電荷移動量分に相当した水素イオン、アンモニウムイオンおよびこれらイオンに水和した分の水分子が移動する。 On the other hand, on the cathode side 13, an aqueous solution containing ammonium sulfate is supplied as a cathodic reaction, and since hydrogen ions as a reaction source are absent or scarce, the ammonium ions migrated from the anode react to produce ammonia and hydrogen. Moreover, when there is acid on the cathode side, hydrogen ions derived from the acid react (consume) to generate hydrogen gas. Hydrogen ions and ammonium ions corresponding to the amount of charge transfer and water molecules hydrated by these ions are transferred from the anode to the cathode side by electrolysis.
以下、実施例により、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例により何ら限定を受けるものではない。実施例中の電流効率は(生成した過硫酸イオン(mol)×2)/通電量(F)×100%で表され、単位通電量当たりに生成した過硫酸イオンの割合を表す。 The present invention will be specifically described below with reference to Examples, but the present invention is not limited by these Examples. The current efficiency in the examples is expressed by (generated persulfate ions (mol)×2)/energization amount (F)×100%, and represents the ratio of persulfate ions generated per unit amount of electricity.
(実施例1~5)
隔膜に陽イオン交換膜(ケマーズ株式会社、Nafion(登録商標)117)で区切られた透明アクリル製の電解槽を用い、陽極に80メッシュの白金金網とチタンからなる電極を用い、陰極に80メッシュのSUS316金網からなる電極を用いた。陽極室には、14.6重量%の硫酸アンモニウム(SA)と、30.0重量%の過硫酸アンモニウム(APS)の混合溶液に分極剤としてスルファミン酸グアニジンを0.03重量%、カルシウム(Ca)標準液(関東化学株式会社、カルシウム(Ca):1000mg/L)をカルシウム濃度が2.8~11ppmになるよう添加し、陽極原料として450g供給した。陰極室には30重量%硫酸アンモニウム水溶液を400g供給した。供給後、陽極電流密度を45A/dm2として通電した。電荷移動量は0.13molであった。電荷移動量は通電電流量×通電時間の値で求まる。通電後、得られた陽極生成液中の過硫酸アンモニウム濃度(wt%)を滴定により測定することで過硫酸アンモニウム量(mol)を算出し、通電前の陽極原料に含まれる過硫酸アンモニウム量を差し引くことで得られる過硫酸アンモニウムの生成量(mol)から、電流効率を求めた。カルシウム(Ca)添加量を変えて得られた電流効率と陽極生成液組成を表1に示す。
(Examples 1 to 5)
A transparent acrylic electrolytic cell separated by a cation exchange membrane (Nafion (registered trademark) 117, Chemours Co., Ltd.) was used as the diaphragm, an electrode made of 80-mesh platinum wire mesh and titanium was used as the anode, and 80-mesh was used as the cathode. of SUS316 wire mesh was used. In the anode chamber, a mixed solution of 14.6% by weight of ammonium sulfate (SA) and 30.0% by weight of ammonium persulfate (APS) was added with 0.03% by weight of guanidine sulfamate as a polarizing agent and a calcium (Ca) standard. A liquid (Kanto Kagaku Co., Ltd., calcium (Ca): 1000 mg/L) was added so that the calcium concentration was 2.8 to 11 ppm, and 450 g was supplied as an anode raw material. 400 g of a 30% by weight aqueous solution of ammonium sulfate was supplied to the cathode chamber. After the supply, electricity was applied at an anode current density of 45 A/dm2. The charge transfer amount was 0.13 mol. The amount of charge transfer is obtained by the value of the amount of energized current times the energized time. After energization, the ammonium persulfate concentration (wt%) in the resulting anode product solution was measured by titration to calculate the amount of ammonium persulfate (mol), and the amount of ammonium persulfate contained in the anode raw material before energization was subtracted. The current efficiency was obtained from the amount (mol) of ammonium persulfate produced. Table 1 shows the current efficiency and the composition of the anode-generating solution obtained by changing the amount of calcium (Ca) added.
(比較例1)
陽極原料にカルシウム(Ca)標準液を添加しなかったこと以外は、実施例1と同様にして行った。この時得られた電流効率と陽極生成液組成を表2に示す。
(Comparative example 1)
The procedure was carried out in the same manner as in Example 1, except that the calcium (Ca) standard solution was not added to the anode raw material. Table 2 shows the current efficiency and the composition of the anode generated solution obtained at this time.
本発明によれば、硫酸アンモニウムの電解反応による過硫酸アンモニウムの製造において、電流効率が著しく低下する硫酸アンモニウムの低濃度領域においても、高い電流効率で過硫酸アンモニウムを製造することが可能となる。加えて後段の晶析工程で効率的な過硫酸アンモニウムの精製ができるようになるため、極めて工業的に有利な過硫酸アンモニウムの製造をすることができる。 According to the present invention, in the production of ammonium persulfate by electrolytic reaction of ammonium sulfate, it is possible to produce ammonium persulfate with high current efficiency even in a low concentration region of ammonium sulfate where the current efficiency drops significantly. In addition, since ammonium persulfate can be purified efficiently in the subsequent crystallization step, ammonium persulfate can be produced in a very industrially advantageous manner.
1 電解槽
2 陽極側
3 陰極側
4 ラクタム製造工程
11 電解槽
12 陽極側
13 陰極側
14 外部タンク
15 外部タンク
1
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