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JP4395257B2 - Catalyst film, method for preparing catalyst film, and electrical synthesis of compound using catalyst film - Google Patents

Catalyst film, method for preparing catalyst film, and electrical synthesis of compound using catalyst film Download PDF

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JP4395257B2 JP2000509888A JP2000509888A JP4395257B2 JP 4395257 B2 JP4395257 B2 JP 4395257B2 JP 2000509888 A JP2000509888 A JP 2000509888A JP 2000509888 A JP2000509888 A JP 2000509888A JP 4395257 B2 JP4395257 B2 JP 4395257B2
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Description

【0001】
(技術分野)
本発明は、メディエータを使用するヒドロキシルアンモニウム塩およびヒドロキシルアミンを調製するための方法、触媒フィルム、触媒フィルムを作製する方法、および触媒フィルムを使用する方法に関する。より詳細には、本発明は、フィルム形成性化合物および硝酸イオンの相互作用によって電極上に形成された触媒フィルムに関する。
【0002】
(発明の背景)
ヒドロキシルアンモニウム塩は、種々の適用を有する化合物である。例えば、硝酸ヒドロキシルアンモニウムは、液体燃料の成分としておよび写真操作における還元剤として使用され得る。いくつかのこれらの適用において、高純度のヒドロキシルアンモニウム塩溶液が利用可能であることが望ましい。
【0003】
ヒドロキシルアンモニウム塩を製造するためのいくつかの生成方法が存在する。例えば、硝酸ヒドロキシルアンモニウムの場合においては、これらの方法のいくつかは、以下を包含する:塩化ヒドロキシルアンモニウムおよび硝酸塩の電気透析;硫酸ヒドロキシルアンモニウムおよび硝酸バリウムの反応;硫酸ヒドロキシルアンモニウムおよび硝酸を使用する3工程のカチオン交換プロセス;および硝酸の電解還元。しかし、これらの方法のいくつかは、この化合物のいくつかの適用が必要とする、高純度のヒドロキシルアンモニウム塩溶液を提供しない。結果として、既存の方法によって生成されたヒドロキシルアンモニウム塩溶液を精製する手順が開発された。それにもかかわらず、大量の高純度のヒドロキシルアンモニウム塩溶液についての実質的な需要が依然として存在する。ヒドロキシルアンモニウム塩を作製する効率的なプロセスについての需要もまた存在する。
【0004】
ヒドロキシルアミンは、化学的プロセス、特に製薬産業および農業における化学的プロセスの中間物として有用である。これは、ストリッパー処方物においてもまた有用である。ストリッパー処方物は、フォトレジストを基板から取り出すか、または基板をクリーンにするために使用され得る。例えば、ヒドロキシルアミンストリッパー溶液は、金属箔からポリアミドコーティングを除去するために使用され得る。ヒドロキシルアミンストリッパー溶液は、プリント回路基板および半導体産業において利用される。
【0005】
頻繁には、ヒドロキシルアミンの溶液、特にヒドロキシルアンモニウム塩から調製された溶液は、塩、アンモニウムイオン、金属および有機物などの、所望されない量の不純物を含む。従って、高純度を有するヒドロキシルアミン溶液についての必要性が存在する。ヒドロキシルアミンを作製する効率的なプロセスについての需要もまた存在する。
【0006】
硫酸中での酸化窒素の電解還元によるヒドロキシルアミンの生成は、L.J.J.Janssenら、Electrochimica Acta、1977、第22巻、第27〜30頁およびM.L.Bathiaら、The Canadian Journal of Chemical Engineering、第57巻、1979年10月、第631〜7頁に記載される。Janssenらは、白金カソードを利用し、そしてBathiaらは、炭化タングステン粒子のカソードベッドを利用する。過塩素酸および硫酸溶液中の大量の白金での酸化窒素の電解還元は、J.A.Colucciら、Electrochimica Acta、第30巻、第4号、521〜528頁、1985年に記載される。
【0007】
米国特許第5,281,331号は、以下を包含する、電気分解セルにおけるプロセスに関する:(A)アノードを備えるアノード液区分室、酸素消費カソードを備えるカソード液区分室、ならびにアノード液区分室およびカソード液区分室を分離するアニオン性仕切板を備える電気分解セルを提供する工程;(B)アノード液区分室に、酸および水を含む水溶液、ならびにカソード液区分室に、ヒドロキシルアミン塩、水、および必要に応じて酸を含む水溶液を提供する工程;(C)酸素含有ガスをカソード液区分室に充填する工程;(D)カソード液区分室における酸含量を減少させるためおよび/または塩をヒドロキシルアミンに変換させるために有効な時間にわたって、電気分解セルに直流を通す工程;ならびに(E)カソード液区分室から、減少した量の酸を含むヒドロキシルアミンまたはヒドロキシルアミン塩溶液を回収する工程。
【0008】
米国特許第5,447,610号は、少なくとも1つの一酸化二窒素およびヒドロキシルアミンを形成するための中性電解質、またはヒドロキシルアンモニウム塩を形成するための有機酸または無機酸のような酸性電解質のいずれかを含む混合物を電気分解的に還元することによって、ヒドロキシルアミンおよびヒドロキシルアンモニウム塩を調製することに関する。電解還元は、アノードを備えるアノード液区分室、カソードを備えるカソード液区分室、ならびにアノード液区分室およびカソード液区分室を分離する仕切板を備える電気分解セルにおいて行われる。ここで、少なくとも1つの一酸化二窒素および電解質の混合物がカソード液区分室に存在し、そして酸がアノード液区分室に存在する。
【0009】
(発明の要旨)
1つの実施態様において、本発明は、2つの電極、ならびにフィルム形成性化合物および硝酸イオン供給源を含む溶液を備えた電気化学的セルに電流を印加することにより作製される触媒フィルムに関する。
【0010】
別の実施態様において、本発明は、触媒フィルムを作製する方法に関し、この方法は:アノード、カソード、ならびにフィルム形成性化合物および硝酸イオン供給源を含む溶液を備えた電気化学的セルに電流を印加し、それによって触媒フィルムを形成する工程を包含する。
【0011】
別の実施態様において、本発明は、アノードおよびカソード、ならびにフィルム形成性化合物および硝酸イオン供給源を含むフィルム形成溶液を備えた第1の電気化学的セルに電流を印加することにより作製される、該カソード上に形成された触媒フィルムを使用する方法に関し、この方法は:アノード、該触媒フィルムを有するカソード、および反応物を含む反応物溶液を備えた第2の電気化学的セルを提供する工程;該第2の電気化学的セルに電流を印加する工程;および該第2の電気化学的セルから生成物を回収する工程を包含する。
【0012】
別の実施態様において、本発明は、ヒドロキシルアンモニウム塩を調製する方法に関し、この方法は:アノード、カソード、および該アノードと該カソードとの間に位置する仕切板であって、該カソードと該仕切板との間のカソード液区分室および該アノードと該仕切板との間のアノード液区分室を規定する仕切板を備えた電気化学的セルを提供する工程;該カソード液区分室を、窒素含有化合物およびメディエータを含む第1の溶液で、そして該アノード液区分室を、イオン性化合物を含む第2の溶液で充填する工程;該電気化学的セルを通って電流を通過させ、該カソード液区分室にヒドロキシルアンモニウム塩を生成する工程;および該カソード液区分室から該ヒドロキシルアンモニウム塩を回収する工程を包含する。
【0013】
別の実施態様において、本発明は、窒素含有化合物を還元することによりヒドロキシルアンモニウム塩を製造する方法に関し、ここで、窒素含有化合物とともにメディエータが用いられる。
【0014】
別の実施態様において、本発明は、ヒドロキシルアミンを調製する方法に関し、この方法は:アノード、カソード、ならびに該カソードと該アノードとの間に位置する仕切板であって、該カソードと該仕切板との間のカソード液区分室および該仕切板と該アノードとの間のアノード液区分室を規定する仕切板を備えた電気化学的セルを提供する工程;該カソード液区分室を、ヒドロキシルアンモニウム塩およびメディエータを含む溶液で、そして該アノード液区分室を、第1の電解質溶液で充填する工程;該電気化学的セルを通って電流を通過させ、該カソード液区分室にヒドロキシルアミンを生成する工程;および該カソード液区分室から該ヒドロキシルアミンを回収する工程、を包含する。
【0015】
別の実施態様において、本発明は、電気化学的セルにおいて、ヒドロキシルアンモニウム塩からヒドロキシルアミンを作製する方法であって、メディエータが該ヒドロキシルアンモニウム塩とともに用いられる方法に関する。
【0016】
別の実施態様において、本発明は、ヒドロキシアンモニウム塩を調製する方法に関し、この方法は、アノード、カソード、ならびに該アノードと該カソードとの間に位置する仕切板であって、該カソードと該仕切板との間のカソード液区分室および該アノードと該仕切板との間のアノード液区分室を規定する仕切板を備え、ここで該カソードが、メディエータから形成されたフィルムをその上に有する、電気化学的セルを提供する工程;該カソード液区分室を、窒素含有化合物を含む第1の溶液で、そして該アノード液区分室を、イオン性化合物を含む第2の溶液で充填する工程;該電気化学的セルを通って電流を通過させ、該カソード液区分室にヒドロキシルアンモニウム塩を生成する工程;および該ヒドロキシルアンモニウム塩を、該カソード液区分室から回収する工程を包含する。
【0017】
1つの実施態様において、本発明は、ヒドロキシルアンモニウム塩、ヒドロキシルアミンおよびアジポニトリルを含むがこれらに制限されない高純度の種々の化合物を効率的に調製する、安価かつ複雑でない電気化学的方法も提供する。
【0018】
(好適な実施態様の説明)
1つの実施態様において、本発明は、触媒フィルムおよびこの触媒フィルムを形成する方法に関する。この触媒フィルムは、電極上に、代表的には、少なくともカソード、アノード、ならびにフィルム形成性化合物および硝酸イオンを含む溶液を含む電気化学的セル中で形成される。好ましい実施態様では、この触媒フィルムは、電気化学的セルのカソード上に形成される。
【0019】
任意の理論により拘束されることは望まないが、上記フィルム形成性化合物と硝酸イオンとの間の相互作用が、電極上の触媒フィルムを形成すると考えられる。フィルム形成性化合物の存在に起因する、上記電極上に形成される触媒フィルムの化学的同一性は未知である。しかし、上記触媒フィルムは、電極上に、実質的に均一かつ円滑に形成する。この触媒フィルムは、代表的には、暗いオレンジ色から褐色である。この触媒フィルムは、代表的には、固体であって多孔性(solid versus porous)である。このフィルムは電極に強力に接着する。この触媒フィルムは、窒素含有化合物のヒドロキシアンモニウム塩への変換、およびアクリロニトリルのアジポニトリルへ変換の少なくとも1つを促進する明白な触媒効果を有する。任意の理論により拘束されることは望まないが、この触媒フィルムは、カソードにおける水素発出のための過電圧を増大し、それによってヒドロキシアンモニウム塩、ヒドロキシルアミンまたはアジポニトリルのような生成物の形成を促進し得る。
【0020】
電極上に形成される触媒フィルムの厚さは、フィルム形成性化合物および硝酸イオンが相互作用する時間の長さ、電流の強度、フィルム形成性化合物および硝酸イオンの相対的濃度、およびその他のプロセスパラメータのような種々の条件に依存する。触媒フィルムは、代表的には、少なくとも約0.1nm、そして代表的には約0.1nm〜約500μmの厚さを有する。別の実施態様において、触媒フィルムは、少なくとも約0.5nm、そして代表的には約0.5nm〜約100μmの厚さを有する。別の実施態様において、触媒フィルムは、少なくとも約1nm、そして代表的には約1nm〜約10μmの厚さを有する。
【0021】
触媒フィルムは、印加された電流の最初の1時間の間にかなり迅速に形成し、そして少なくとも3ケ月の間持続し得る(明白な触媒効果を保持する)。これに関して、一旦(カソードのような)電極が、その上に形成されたこのような触媒フィルムを有すれば、化学的プロセッシングのために電気化学的セルに充填される溶液中にフィルム形成性化合物を含める必要はない。換言すれば、このような触媒フィルムをその上にともなう電極を含む電気化学的セルがからになるとき、セルに再充填される溶液は、所望の化合物を生成するための反応物のみを含む必要がある。
【0022】
メディエータまたはフィルム形成性化合物は、有機メディエータまたは有機フィルム形成性化合物、および無機メディエータまたは無機フィルム形成性化合物を含む。有機フィルム形成性化合物または有機メディエータは、硝酸イオンの存在下で触媒フィルムを形成し得る1つ以上の芳香族化合物および複素環化合物を含む。本明細書で用いられるとき、用語フィルム形成性化合物およびメディエータは、交換可能であり(それらは同じ化合物をいう);しかし、用語フィルム形成性化合物は、一般に、フィルムの使用に関しないフィルムの形成を示すために用いられ、その一方用語メディエータは、一般に、フィルムの形成およびヒドロキシアンモニウム塩のような最終生成物を形成するためのフィルムの同時使用を示すために用いられる。好適なフィルム形成性化合物またはメディエータは、アミノ−芳香族化合物およびキノン化合物を含む。フィルム形成性化合物の特定の例は、1,4−フェニレンジアミン;1,3−フェニレンジアミン;テトラシアノキノジメタン;N,N,N’,N’−テトラメチル−p−フェニレンジアミン;p−アミノフェノール、m−アミノフェノールおよびo−アミノフェノールのようなアミノフェノール;アミノチオフェノール;テトラチアフルバレン;チアントレン;トリ−N−p−トリルアミン(tri−N−p−tolyamine);フェロセン;メチルビオロゲンジクロライド水和物;ヒドロキノン、アミノアントラキノン、アミノアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウム塩、アントラキノン−1,5−ジスルホン酸2ナトリウム塩およびアントラキノン−2,6−ジスルホン酸2ナトリウム塩のようなキノン化合物;アセトアニリド、4−ブロモ−2,3,5,6−テトラフルオロアニリン、4,4’−オキシジアニリンおよび4’−アミノアセトアニリドのようなアニリン化合物;1,10−フェナントロリン;フェナジン;1,8−ジアミノナフタレン;1,4−ジアセチルベンゼン;テレフタルジカルボキシアルデヒド;テレフタル酸;および2,5−ジクロロ−1,4−フェニレンジアミンを含む。
【0023】
無機メディエータまたは無機フィルム形成性化合物は、可逆的に還元および酸化され得る金属メディエータおよび非有機メディエータを含む。例えば、無機メディエータは、それぞれ、Me(n+x)+およびMen+のような酸化および還元形態を有する(Meとして表される)金属を含む。無機メディエータは、セシウム化合物、クロム化合物、コバルト化合物、銅化合物、マンガン化合物、過ヨウ素酸塩化合物、銀化合物、ナトリウム化合物、錫化合物、チタン化合物、および鉛化合物の少なくとも1つを含む。無機メディエータの特定の例は、Ag2+/Ag+、Ce4+/Ce3+、Co3+/Co2+、Cr3+/Cr2+、Cu2+/Cu+、Mn3+/Mn2+、Sn2+/Sn4+、Ti3+/Ti4+、Zn2+/Zn0、IO4 -/IO3 -、およびNa+/Na(Hg)を含む。無機メディエータは、電気化学的セルに、金属形態で(金属粉末を添加する)または塩形態で添加され得る。上記の金属の塩は、酢酸塩、臭化物、炭酸塩、塩化物、フッ化物、ヨウ化物、硝酸塩、シュウ酸塩、リン酸塩および硫酸塩の塩類のように公知であり(以下に記載のヒドロキシルアンモニウム塩の種々アニオンもまた参照のこと)、そしてそれ故、長いリストは本明細書に含められていない。
【0024】
見込みのある化合物がフィルム形成性化合物として分類され得るか否かの決定は、本発明に従って見込みのある化合物により形成されたフィルムが、反応物化合物の所望の化合物への変換を促進するか否かを評価することを含む。1つの実施態様において、見込みのある化合物は、それが、触媒フィルムを形成し、そして触媒フィルムが用いられないことを除いて同じ条件下の変換より早い速度で、反応物の生成物への転換を促進する場合、フィルム形成性化合物として分類され得る。別の実施態様において、見込みのある化合物は、それが、触媒フィルムを形成し、そして触媒フィルムが用いられないことを除いて同じ条件下の変換より早い速度で、窒素含有化合物のヒドロキシアンモニウム塩への転換を促進する場合、フィルム形成性化合物として分類され得る。なお別の実施態様では、見込みのある化合物は、それが、触媒フィルムを形成し、そして触媒フィルムが用いられないことを除いて同じ条件下の変換より早い速度で、アクリロニトリルのアジポニトリルへの転換を促進する場合、フィルム形成性化合物として分類され得る。
【0025】
硝酸イオンは、1つまたはそれ以上の硝酸イオン源から得られ得る。硝酸イオン源には、硝酸、アルカリ金属硝酸塩(例えば、硝酸ナトリウム、硝酸カリウムおよび硝酸ルビジウム)、アルカリ土類金属硝酸塩(例えば、硝酸マグネシウム、硝酸カルシウムおよび硝酸ストロンチウム)、遷移金属硝酸塩(例えば、硝酸銅、硝酸ニッケル、硝酸マンガン、硝酸銀、硝酸亜鉛等)、硝酸アンモニウム、4級アンモニウム硝酸塩(例えば、硝酸テトラメチルアンモニウム、硝酸テトラエチルアンモニウム、硝酸テトラプロピルアンモニウム、硝酸テトラブチルアンモニウム、硝酸テトラ−n−オクチルアンモニウム、硝酸メチルトリエチルアンモニウム、硝酸ジエチルジメチルアンモニウム、硝酸メチルトリプロピルアンモニウム、硝酸メチルトリブチルアンモニウム、硝酸セチルトリメチルアンモニウム、硝酸トリメチルヒドロキシエチルアンモニウム、硝酸トリメチルメトキシエチルアンモニウム、硝酸ジメチルジヒドロキシエチルアンモニウム、硝酸メチルトリヒドロキシエチルアンモニウム、硝酸フェニルトリメチルアンモニウム、硝酸フェニルトリエチルアンモニウム、硝酸ベンジルトリメチルアンモニウムおよび硝酸ベンジルトリエチルアンモニウム)、4級ホスホニウム硝酸塩(例えば、硝酸テトラメチルホスホニウム、硝酸テトラエチルホスホニウム、硝酸テトラプロピルホスホニウム、硝酸テトラブチルホスホニウム、硝酸テトラメチルヒドロキシエチルホスホニウム、硝酸ジメチルジヒドロキシエチルホスホニウム、硝酸メチルトリヒドロキシエチルホスホニウム、硝酸フェニルトリメチルホスホニウム、硝酸フェニルトリエチルホスホニウムおよび硝酸ベンジルトリメチルホスホニウム)、ならびに3級スルホニウム硝酸塩(例えば、硝酸トリメチルスルホニウム、硝酸トリエチルスルホニウム、硝酸トリプロピルスルホニウムおよびそれらの組み合わせ)が挙げられる。
【0026】
一旦、触媒フィルムが電極(典型的には、カソード)上に形成されると、電気化学的セルは空になり得、そして所望の化学反応の反応物を含む溶液がセルを満たし得る。あるいは、触媒フィルムをコートした電極がセルから取り除かれ、所望の化学反応が起こる別の電気化学的セルに移され得る。あるいは、触媒フィルムをコートした電極は、メディエータまたはフィルム形成化合物を有するそのセルの中に、所望の化学反応の反応物を組み入れることによって、溶液の変化無しでその形成の最中または後に使用され得る。
【0027】
触媒フィルムの調製に好適な電気化学的セルは、多くの異なる構成をとると考えられ得る。1つの実施態様では、電気化学的セルは、アノードおよびカソードを含む少なくとも一つの区分室を含む(図1参照)。好ましい実施態様では、電気化学的セルは、アノード、カソードおよび仕切板を含む少なくとも二つの区分室を含む(図2参照)。別の実施態様では、電気化学的セルは、アノード、カソード、双極膜および仕切板を含む少なくとも三つの区分室を含む(図3参照)。
【0028】
一般に、電気化学的セルは、セル材料から構成され得、このセル材料は、セル中へ充填される物質と適合性がある。このセル材料は、特に酸性環境に、しばしば塩基性環境に耐性であり得ることが必須である。
【0029】
このセルは、大気圧または高圧で作動するように適合され得る。1つの実施態様では、セルは、少なくとも約1psigから約10psigまでまたはそれより高い高圧で、作動し得るものである。アノードおよびカソードは反応には直接関与しないので、それらは様々な材料からも作製され得るが、この材料は、セルに加えた溶液またはセルの中に形成された触媒フィルムと反応しないものである。
【0030】
好適なカソードには、炭素(例えば、グラファイト)、ステンレス鋼、ガラス状炭素、チタン、酸化チタンセラミック、ニオブ、タングステンカーバイド、銀、鉛、クロム、亜鉛、水銀、二酸化マンガンまたは白金が挙げられる。例えば、カソードには、タングステンカーバイド、活性炭担持(on carbon)白金、活性炭担持銀、活性炭担持二酸化マンガンまたは白金化チタンが挙げられる。グラファイトまたはカーボンフェルトはカソードと共に使用されて、カソードの活性表面積を増加し得る。Ebonex(登録商標)のカソードもまた使用され得る。
【0031】
いくつかの実施態様では、ガスが電気化学的セルの中に導入され、そしてカソードはガス拡散カソードとなる。このガス拡散カソードは、適切な多孔質疎水性材料(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE))から形成された従来のカソード構造体を含み得、カーボンブラックおよび任意の触媒と混合される。市販のガス拡散カソードは、ELAT型ガス拡散カソード(これは、Vulcan XC−72 炭素を含む疎水性PTFE上でPtCoの合金と統合されたステンレス鋼メッシュ電流コレクターを有する)およびEFCG型ガス拡散カソード(これは、Toray 炭素基材上でPtCoの合金と統合されたステンレス鋼メッシュ電流コレクターを有する)を含む。
【0032】
様々な材料が、電気化学的セル中のアノードとして使用され得る。例えば、アノードは、金属(例えば、コートしたチタン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウムまたはこれらの合金の電極)から作製され得る。一般に、アノードは、非不動態化フィルムおよび触媒フィルムを有し、これらは、貴金属(例えば、白金、イリジウム、ロジウム、ルテニウムまたはそれらの合金)、あるいは貴金属(例えば、白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウムもしくはロジウム)の少なくとも1つの酸化物または混合した酸化物を含む電気伝導性酸化物の混合物を含み得る。1つの実施態様では、アノードは、寸法安定性アノード(例えば、ルテニウム酸化物および/またはイリジウム酸化物がその上にあるチタンベースを有するアノード)である。
【0033】
本発明の触媒フィルムを作製および使用する際に利用される大部分の電気化学的セルは、少なくとも1つの仕切板またはセパレータ(例えば、イオン性または非イオン性選択膜)を含む。この仕切板および/または双極膜は、拡散バリアおよび/またはガスセパレータとして機能する。
【0034】
1つの実施態様において、本発明に使用され得るこの仕切板またはセパレータは、種々の化学的化合物のアニオンおよび/またはカチオンを電極の1つの方に移動させる所望のサイズの孔を備える広範な微小多孔性拡散障壁、スクリーン、フィルター、隔壁などから選択され得る。この微小多孔性仕切板は、種々の材料(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびTeflonのようなプラスチック、セラミックなどを含む)から調製され得る。微小多孔性仕切板(例えば、非イオン性仕切板)が、例えば、図面に列挙された仕切板に加えて、使用され得る。市販されている微小多孔性セパレータの具体的な例には、以下が挙げられる:Celanese CelgardおよびNorton Zitex。
【0035】
1つの実施態様において、この仕切板はアニオン選択性膜である。任意のアニオン選択性膜が利用され得、これには汽水性水の脱塩のためのプロセスに使用される膜が挙げられる。好ましくは、セル中に存在する特定のアニオンに関して、アニオン選択性膜が選択されるべきである(例えば、硝酸イオンおよびハロゲン化物イオン)。アニオン性膜の調製および構造は、Encyclopedia of Chemical Technology,Kirk−Othmer,第3版、第15巻、の「Membrane Technology」と題される章、92〜131頁、WileyおよびSons,New York、1985.に記載される。これらのページは、本発明のプロセスに有用であり得る種々のアニオン性膜の開示のために本明細書中で参考として援用される。
【0036】
利用され得る、そして市販されているアニオン選択性膜は以下のものである:4級アンモニウム基で置換されたフッ化ポリマーベースのAMFLON,Series 310(American Machine and Foundry Companyにより生産される);異種性ポリ塩化ビニルから誘導された4級アンモニウム基で置換されたポリマーベースのIONAC MA 3148,MA3236およびMA3475(Ritter−Pfaulder Corp.,Permutit Divisionにより生産される);Tosflex IE−SF 34またはIE−SA 48(Tosoh Corp.により作製)、これはアルカリ媒体中で安定であるように設計された膜である;Tokuyama Soda Co.からのNEOSEPTA AMH,NEOSEPTA ACM,NEOSEPTA AFNまたはNEOSEPTA ACLE−SP;ならびにAsahi GlassからのSelemion AMVおよびSelemion AAV。
【0037】
1つの実施態様において、この仕切板はカチオン選択性膜である。本発明のセルおよびプロセスに使用されるカチオン選択性膜は、化学的化合物の電気化学的精製またはリサイクルに利用されてきた任意のものであり得る。好ましくは、カチオン交換膜はフルオロカーボンシリーズベースの膜のような非常に耐久性の材料を含むべきであるか、またはポリスチレンもしくはポリプロピレンシリーズの安上がりの材料から成るべきである。しかし、好ましくは、本発明に有用なカチオン選択性膜には、カチオン選択性基(例えば、過フルオロスルホン酸および過フルオロスルホン酸塩(perfluorosulfonic)ならびに過フルオロカルボン酸、過フルオロカーボンポリマー膜(例えば、Dupont’s Cationic Nafion 423および902膜のような、一般的な商標「Nafion」でE.I.dupont Nemoure&Co.により販売される))を含むフッ化膜が挙げられる。他の適切なカチオン選択性膜には、スルホネート基、カルボキシレート基などのようなカチオン選択基を含むスチレンジビニルベンゼンコポリマー膜が挙げられる。Raipore Cationic R1010(Pall RAIから)ならびにTokuyama SodaからのNEOSEPTA CMHおよびNEOSEPTA CM1膜が、より高分子の化合物に特に有用である。カチオン選択性膜の調製および構造は、Encyclopedia of Chemical Technology,Kirk−Othmer,第3版、第15巻、の「Membrane Technology」と題される章、92〜131頁、WileyおよびSons,New York、1985.に記載される。これらのページは、本発明に有用であり得る種々のカチオン選択性膜の開示のために本明細書中で参考として援用される。
【0038】
電気化学的セルに使用される双極膜は3つの部分を有する複合膜である:カチオン選択性側面または領域、アニオン選択性側面または領域、および2つの領域の界面。直流が、カソードに向かったまたはカソードに面したカチオン選択性側面で双極膜を通過する場合、電気伝導は電場の影響下にある界面で生じる水の解離によって生成されるH+およびOH-イオンの輸送により達成される。双極膜は、例えば、米国特許第2,829,095号、同第4,024,043号(単一のフィルム双極膜)および同第4,116,889号(キャスト双極膜)に記載される。本発明に有用な双極膜には、NEOSEPTA BIPOLAR 1(Tokuyama Sodaによる)、WSI BIPOLARおよびAqualytics Bipolar膜が挙げられる。
【0039】
1つの実施態様において、電気化学的セルは少なくとも1つの区分室を備える。好ましい実施態様において、電気化学的セルは少なくとも2つの区分室を備える;すなわち、カソード液区分室およびアノード液区分室。別の実施態様において、電気化学的セルは少なくとも3つの区分室を備える;すなわち、カソード液区分室、アノード液区分室および別の区分室(例えば、緩衝液区分室、パス(pass)区分室、塩基区分室、酸区分室など)。緩衝液区分室は、典型的には、2つの双極膜の間または双極膜と電極の間に配置される。パス区分室は、典型的には、2つのカチオン選択性膜または2つのアニオン選択性膜の間に配置され、そして最終生成物をさらに精製するために働く。塩基および酸は、典型的には、それぞれ、塩基区分室および酸区分室中で形成される。
【0040】
(一般的に、カソードに隣接する)電気化学的セルのカソード液区分室(または1区分室セルの区分室)は、フィルム形成性化合物および硝酸イオンの溶液を含む。水溶液が好ましい。1つの実施態様において、フィルム形成性化合物の濃度は、約1mM〜約1Mの範囲であり得る。別の実施態様において、フィルム形成性化合物の濃度は、約5mM〜約500mMの範囲である。さらに別の実施態様において、フィルム形成性化合物の濃度は、約10mM〜約100mMの範囲である。1つの実施態様において、硝酸イオン供給源の濃度は、約0.001M〜約10Mの範囲であり得る。別の実施態様において、硝酸イオン供給源の濃度は、約0.01M〜約1Mの範囲である。さらに別の実施態様において、硝酸イオン供給源の濃度は、約0.1M〜約0.5Mの範囲である。
【0041】
(一般的にアノードに隣接する)電気化学的セルのアノード液区分室および(存在するのであれば)残りの区分室は、イオン性化合物の溶液(電解質溶液)を含む。イオン性化合物は、溶液中で完全にまたは部分的にイオン化する任意の化合物である。イオン性化合物としては、酸、塩基、および塩類が挙げられる。水溶液が好ましい。アノード液区分室中のイオン性化合物は、任意の他の区分室中のイオン性化合物と同じであってもよいし、またはそれと異なってもよい。任意の適切なイオン性化合物が、アノード液区分室および他の区分室中で使用され得るが、好ましい実施態様において、アノード液区分室および他の区分室中のイオン性化合物は、酸または硝酸イオン供給源である。アノード液区分室および他の区分室中のイオン性化合物の濃度は、約0.1M〜約10M、そして好ましくは、約2M〜約6Mの範囲である。アノード液区分室中のイオン性化合物の濃度は、他の区分室中のイオン性化合物の濃度と同じでもよいし、それより高いか、またはそれより低い濃度であってもよい。
【0042】
アノードとカソードとの間に印加される電流は、(存在するのであれば)アノードとカソードとの間に配置される仕切板の数、および成分の濃度に依存する。1つの実施態様において、電流密度は、約1ボルト〜約10ボルトおよび約2ボルト〜約5ボルトで、それぞれ約0.01 ASI(アンペア/1平方インチ)〜約10 ASI、よりしばしば、約1 ASI〜5 ASIのみかけ電流密度でアノードとカソードとの間に適用される。電流は、カソード液区分室(または1区分室セルの区分室)中のカソード上に、所望の厚さで触媒フィルムを生成するために効果的な時間にわたって電気化学的セルに適用される。
【0043】
電気化学的セルは、触媒フィルムの生成に適切な温度に維持され得る。この温度は、代表的には、約−20℃〜約70℃の範囲である。別の実施態様において、この温度は、約1℃〜約30℃の範囲である。触媒フィルムの形成は、目視によってモニターされ得る。
【0044】
本発明において有用な電気化学的セルの例は以下で議論され、そして図1、2、および3に示される。
【0045】
図1を参照すると、電気化学的セル10は、カソード11およびアノード12から作製される。電気化学的セル10は、1つの区分室13を備える。図1に例示される電気化学的セルの操作において、フィルム形成性化合物および硝酸イオン供給源を含む溶液が区分室13に充填される。電気化学的セルを横切る電流を生成するためにアノードとカソードとの間で、電位が確立され、かつ維持される;その際、触媒フィルムは、区分室13中のカソード11上に形成される。
【0046】
図2を参照すると、電気化学的セル20は、カソード21、アノード22、および仕切板23から作製される。電気化学的セル20は、2つの区分室;すなわち、カソード液区分室24およびアノード液区分室25を備える。図2に例示される電気化学的セルの操作において、フィルム形成性化合物および硝酸イオン供給源を含む溶液は、カソード液区分室24に充填される。イオン性化合物を含む電解質溶液は、アノード液区分室25に充填される。電気化学的セルを横切る電流を生成するためにアノードとカソードとの間で、電位が確立され、かつ維持される。その際に、触媒形成フィルムは、カソード液区分室24中のカソード21上に生成される。
【0047】
図3を参照すると、電気化学的セル30は、カソード31、アノード32、ならびに(カソード31で始まり、順に)双極膜33および仕切板34から作製される。双極膜33は、アノードと対向するアニオン選択側面(示されず)およびカソードと対向するカチオン選択側面(示されず)を有する。電気化学的セル30は、3つの区分室;すなわち、カソード液区分室35、中央区分室36、およびアノード液区分室37を備える。図3に例示される電気化学的セルの操作において、フィルム形成性化合物および硝酸イオン供給源を含む溶液は、カソード液区分室35に充填される。イオン性化合物を含む溶液は、中央区分室36およびアノード液区分室37に充填される。中央区分室のイオン性化合物は、アノード液区分室中のイオン性化合物と同じであってもよいし、またはそれと異なってもよい。電気化学的セルを横切る電流を生成するためにアノードとカソードとの間で、電位が確立され、かつ維持される。その際に、触媒フィルムは、カソード液区分室35中のカソード31上に形成される。
【0048】
以下の特定の実施例は、本発明に従う触媒フィルムの調製をさらに示す。実施例ならびに本明細書および請求の範囲のどこかで示されない限りは、全ての割合またはパーセンテージは重量であり、温度は摂氏であり、そして圧力は大気圧であるかまたはほぼ大気圧である。
【0049】
(実施例1)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、グラファイトで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸および50mM 1,4−フェニレンジアミンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、5Amp(0.3ASI)の電流と約3.5ボルトのセル電圧とを6時間印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。深いオレンジからブラウンの色のフィルムがカソード上に均一に形成する。
【0050】
(実施例2)
図3に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、ステンレス鋼のカソード、Tokuyama Bipolar 1双極膜、Asahi glass AAV アニオン選択性膜(仕切板として)を含む。0.5M硝酸の溶液を中央の区分室に入れる。0.3M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。そして1.7Mヒドロキシルアミン硝酸塩、0.7M硝酸および50mMの1,4−フェニレンジアミンの溶液をカソード液区分室に入れる。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、5Ampの電流と約9.1ボルトのセル電圧とを2時間印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。深いオレンジからブラウンの色のフィルムがカソード上に均一に形成する。
【0051】
(実施例3)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、グラファイトで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。グラファイトカソードに、グラファイトフェルトをとり付けて、活性カソード表面積を増大させる。1M硝酸および50mM〜100mMアントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウム塩を含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、15Amp(1ASI)の電流と約3.5ボルトのセル電圧とを24時間印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。深いオレンジからブラウンの色のフィルムがカソード上に均一に形成する。
【0052】
(実施例4)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、グラファイトで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。グラファイトカソードに、グラファイトフェルトをとり付けて、活性カソード表面積を増大させる。1M硝酸および50mM〜400mM 4,4’−オキシジアニリンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、30Amp(2ASI)の電流と約6ボルトのセル電圧とを8時間印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。深いオレンジからブラウンの色のフィルムがカソード上に均一に形成する。
【0053】
(実施例5)
実施例1の一般的手順を繰り返す。ただし、グラファイトカソードに、1枚のグラファイトフェルトをとり付けて、カソード表面積を増大させる。0.5M硝酸および50mM 1,4−フェニレンジアミンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。濃硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、20amp(5ASI)の電流と約5.5ボルトのセル電圧を16時間印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。深いオレンジからブラウンの色のフィルムがカソード上に均一に形成する。
【0054】
(実施例6)
実施例1の一般的手順を繰り返す。ただし、1.0M硝酸および70ppm p−アミノフェノールを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。濃硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、20amp(5ASI)の電流と約5ボルトのセル電圧を30時間印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。深いオレンジからブラウンの色のフィルムがカソード上に均一に形成する。
【0055】
(実施例7)
実施例1の一般的手順を繰り返す。ただし、1M硝酸および100ppmヒドロキノンの溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に添加する。濃硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、20amp(5ASI)の電流と約6.5ボルトのセル電圧を1時間印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。深いオレンジからブラウンの色のフィルムがカソード上に均一に形成する。
【0056】
(実施例8)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、グラファイトで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸ナトリウムおよび50mM 1,4−フェニレンジアミンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸ナトリウム濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、5Amp(0.3ASI)の電流と約3.5ボルトのセル電圧とを6時間印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。深いオレンジからブラウンの色のフィルムがカソード上に均一に形成する。
【0057】
(実施例9)
図1に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノードおよびグラファイトで作製されたカソードを含む。1Mテトラブチルアンモニウム硝酸塩および50mM 1,4−フェニレンジアミンを含む溶液を区分室に入れる。硝酸を区分室に添加して、電流を印加しながら、テトラブチルアンモニウム硝酸塩濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、5Amp(0.3ASI)の電流と約3.5ボルトのセル電圧とを6時間印加する。電流を印加しながら区分室を攪拌する。深いオレンジからブラウンの色のフィルムがカソード上に均一に形成する。
【0058】
その上に触媒フィルムを有するこのカソードを用いると、様々な化合物の合成が容易になる。例えば、窒素含有化合物からヒドロキシルアンモニウム塩への転換、ヒドロキシルアンモニウム塩からヒドロキシルアミンへの転換、およびアクリロニトリルからアジポニトリルへの転換が、本発明の触媒フィルムにより容易になる。
【0059】
一般的に言うと、触媒フィルムをその上に有する電極を含む電気化学的セルは、様々な化合物の合成を容易にするために使用される。好ましい実施態様において、電極はカソードである。様々な化合物の合成は、触媒フィルムが形成される電気化学的セル中において行われ得る。または、触媒フィルムがその上に形成される電極が別の電気化学的セルに移され得る。特定の化合物の合成に適切ないくつかの電気化学的セルは、その上に触媒フィルムを有する電極を備え得る。例えば、図2および3の電気化学的セルは、ヒドロキシルアンモニウム塩およびアジポニトリルを作製するのに適する。
【0060】
電気化学的セルは、バッチ式で操業されてもよく、または連続的に操業されてもよい。ポンプにより、および/またはガス放出により循環が行われる。一つの実施態様において、カソード液、アノード液、および/または回収区分室中のイオン性化合物の濃度は、区分室への供給(例えば、アノード液区分室への水の供給)をモニターすることおよび用いることにより実質的に一定の濃度に維持される。
【0061】
本発明の一つの実施態様において、触媒フィルムは、電気化学的に窒素含有化合物をヒドロキシルアンモニウム塩に転換するか、またはヒドロキシルアンモニウム塩をヒドロキシルアミンに転換するために使用される。特に、カソード上のフィルム形成化合物により形成されたフィルムの存在下で窒素含有化合物は、ヒドロキシルアンモニウム塩に還元される。図2を参照すると、窒素含有化合物を含む溶液がカソード液区分室24に入れられる。イオン性化合物を含む電解質溶液がアノード液区分室25に入れられる。好ましい実施態様において、イオン性化合物は酸である。この実施態様において、仕切板23は、好ましくはカチオン選択性膜である。いくつかの実施態様において、追加的な仕切板がセル中で使用され得る。しかしこれらは一般的には、必要ではない。アノードとカソードとの間で電位が達成され、そして維持されて、電気化学的セル中に電流が発生すると、ヒドロキシルアンモニウム塩がカソード液区分室24中に生成する。ヒドロキシルアンモニウム塩は、カソード液区分室24から回収される。ヒドロキシルアンモニウム塩(または以下に記載されるヒドロキシルアミン)は、蒸留、逆浸透法、電気透析およびイオン交換法のうちの1つまたはそれ以上を用いるさらなる処理により精製され得る。
【0062】
カチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂を用いるイオン交換技術は、当業者に公知である。蒸留技術は当業者に公知である。例えば、カソード液区分室から得られるヒドロキシルアンモニウム塩溶液は、さらに、減圧蒸留を用いて精製され得る。
【0063】
逆浸透膜は、Fluid Systems、Filmtech、Osmonics、Inc.、Desalination Systems Inc.などから市販されている。具体的な例としては、Fluid Systems TFCL−HP薄フィルム複合膜が挙げられる。逆浸透膜技術は、当業者に公知である。例えば、ヒドロキシルアンモニウム塩を収容するカソード液区分室から得られるヒドロキシルアミン溶液は、高圧下(100psi以上、しばしば、500psi以上)で逆浸透膜(例えば、ポリアミドベースの膜)を通して送られる。いくつかの化合物は、この膜を通過する。しかし、ヒドロキシルアンモニウム塩は通過しない。逆浸透膜は、一般的に、水および小分子量有機物(例えば、ヒドロキシルアミン)が通過することを可能にするが、イオン性化合物を通過させない。
【0064】
カソード液区分室から得られるヒドロキシルアンモニウム塩溶液は、さらに、電気透析セル中での電気透析を用いて精製され得る。電気透析技術は、当業者に公知である。
【0065】
これらの追加的手順は、区分室から得られる溶液中に存在し得る不純物を除去するのに効果的である。不純物としては、望ましくない塩、アンモニウムイオン、金属および有機物が挙げられる。
【0066】
ヒドロキシルアンモニウム塩がカソード液区分室で生産される実施態様においては、アノードとカソードとの間に電流が印加される。そのみかけ電流密度は、約3ボルト〜約4ボルトにおいて、約0.1 ASI(平方インチあたりのアンペア)〜約10ASIであり、より高頻度には約2ASI〜4ASIである。電流は、カソード液区分室中でヒドロキシルアンモニウム塩を生産するのに有効な時間の間、電気化学的セルに印加される。
【0067】
カソード液区分室中の窒素含有化合物の濃度は、約0.01M〜約10Mであり得る。好ましくは、窒素含有化合物濃度は、約0.5M〜約1Mである。アノード液区分室中のイオン性化合物の濃度は、約0.01M〜約5Mであり得る。好ましくは、酸濃度は、約0.5M〜約1Mである。
【0068】
窒素含有化合物は、少なくとも1つの窒素の原子を有し、そして、本発明によりヒドロキシルアンモニウム塩に変換され得る化合物である。窒素含有化合物の例は、硝酸、アルカリ金属硝酸塩(例えば、硝酸ナトリウムおよび硝酸カリウム)、アルカリ土類金属硝酸塩(例えば、硝酸マグネシウムおよび硝酸カルシウム)、アルカリ亜硝酸塩(例えば、亜硝酸ナトリウムおよび亜硝酸カリウム)、アルカリ土類金属亜硝酸塩、窒化物(例えば、窒化カルシウムおよび窒化マグネシウム)、有機ニトロ化合物(例えば、ニトロメタン、ニトロエタン、ニトロプロパン、ニトロブタン、ニトロベンゼンなど)および窒素含有気体である。
【0069】
本明細書中で使用される窒素含有気体は、窒素の原子を含有する任意の気体を含む。窒素含有気体の例としては、窒素酸化物の気体(nitrogen oxide gas)および窒素−水素の気体(nitrogen−hydrogen gas)が挙げられる。本明細書中で用いられる窒素酸化物の気体は、窒素および酸素原子を含有する気体を意味することが意図される。窒素酸化物の気体の例としては、1つまたはそれ以上の、一酸化窒素(NO)、二酸化窒素(NO2)、三酸化窒素(NO3)、三酸化二窒素(N23)、五酸化二窒素(N25)が挙げられる。窒素−水素の気体の例は、アンモニア、ヒドラジン、およびそれらの誘導体などである。窒素含有気体はまた、少なくとも窒素含有気体を含有する任意の気体(例えば、1つもしくはそれ以上の不活性ガスと窒素酸化物気体との混合物)であり得る。不活性ガスは、窒素および貴ガスを含む。貴ガスの例は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、およびラドンである。
【0070】
気体が電気化学的セルに導入される実施態様(例えば、ヒドロキシルアンモニウム塩を作製するためのプロセス中の窒素含有気体)において、カソードは、気体拡散カソードである。これらの実施態様において、電気化学的セルは、気体拡散カソードの次に気体チャンバーを含む。窒素含有気体は、気体チャンバーに注入され、次いで、気体拡散カソードを通過させられてカソード液区分室に入らされる。このような方法は、米国特許第5,447,610号および米国特許出願番号第08/734,858号に記載されている。これらの両方を本明細書中で参考として援用する。一つの実施態様において、カソードは、ヒドロキシルアミンまたはヒドロキシルアンモニウム塩への窒素酸化物還元のための電気触媒活性を示す物質を含み得る。
【0071】
本発明のプロセスによって窒素含有化合物から電気化学的セル中で生産され得るヒドロキシルアンモニウム塩は、以下の式で表され得る:
(NR2HOH)+ y-y
ここで、各Rは、独立して、水素であるか、または1〜約8個の炭素原子、好ましくは1〜約6個の炭素原子を含有する炭化水素基である。Xは、酸(例えば、上記の任意の酸)のアニオンである。そしてyは、Xの価数に等しい数である。具体的なアニオンの例としては、Cl-、Br-、SO4 -2、HSO4 -、NO3 -、PO4 -3、H2PO4 -1、HPO4 -2などが挙げられる。
【0072】
本発明によって調製され得るヒドロキシルアンモニウム塩の具体的な例としては、以下が挙げられ得る:ヒドロキシルアンモニウムスルフェート、ヒドロキシルアンモニウムニトレート、ヒドロキシルアンモニウムクロライド、ヒドロキシルアンモニウムブロマイド、ヒドロキシルアンモニウムフルオライド、ヒドロキシルアンモニウムホルメート、ヒドロキシルアンモニウムアセテート、ヒドロキシルアンモニウムホスフェート、ヒドロキシルアンモニウムメチルスルホネート、ヒドロキシルアンモニウムトルエンスルホネート、メチルヒドロキシルアンモニウムニトレート、エチルヒドロキシルアンモニウムニトレート、プロピルヒドロキシルアンモニウムニトレート、イソプロピルヒドロキシルアンモニウムニトレート、およびジエチルヒドロキシルアンモニウムニトレート、フェニルヒドロキシルアンモニウムニトレートなど。
【0073】
カソード液区分室中に形成されるヒドロキシルアンモニウム塩の濃度は、約0.1M〜約10Mであり得る。好ましくは、カソード液区分室中のヒドロキシルアンモニウム塩濃度は、約0.5M〜約2Mである。
【0074】
1つの実施態様において、イオン化合物は酸であり、そして酸の溶液は、酸性電解質である。酸は、中性溶液のpHを低下させる。酸は、有機酸および無機酸を含む。好ましくは、酸は、カソードにおいて反応性ではない。
【0075】
酸性電解質中で窒素含有化合物と共に使用され得る、式HYXで表される無機酸の具体例は、少なくとも1つの硝酸、ハロゲン酸(例えば、フッ化水素酸、塩酸、臭化水素酸、およびヨウ化水素酸)、硫酸、亜硫酸、過塩素酸、ホウ酸、ならびにリン含有酸(例えば、リン酸および亜リン酸)を含む。硝酸および硫酸は、好ましい無機酸である。硝酸および任意の他の酸は、好ましい酸の組合せである。式HYXで表される有機酸の例は、カルボン酸およびポリカルボン酸を含む。例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸、シュウ酸など;有機リン含有酸(例えば、ジメチルリン酸およびジメチルホスフィン酸);またはスルホン酸(例えば、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、1−ペンタンスルホン酸、1−ヘキサンスルホン酸、1−ヘプタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トルエンスルホン酸)などである。硝酸および任意の他の酸が、酸の好ましい組合せである。
【0076】
1つの実施態様において、イオン性化合物は塩基であり、そして塩基の溶液は、塩基性電解液である。塩基は、中性溶液のpHを増大させる。塩基は、有機塩基および無機塩基を含む。
【0077】
塩基は、アルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物、ケイ酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、炭酸塩、およびそれらの混合物を含む。例えば、塩基性化合物は、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アルカリ金属ケイ酸塩などを含む。アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウムおよびセシウムを含む。アルカリ土類金属は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムおよびバリウムを含む。具体的な塩基は、以下である:テトラホウ酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、リン酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウムおよび他のポリリン酸塩、ケイ酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、水酸化カリウム、リン酸カリウム、ピロリン酸カリウムおよび他のポリリン酸塩、炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、リン酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、リン酸マグネシウム、ピロリン酸マグネシウム、およびケイ酸マグネシウム。
【0078】
本発明で有用な電気化学的セルの例は、以下に議論され、そして図1、2、3、4、5および6に示される。
【0079】
必要に応じて、様々な化合物(例えば、1つもしくはそれ以上の酸、水、1つもしくはそれ以上のイオン性化合物、窒素含有化合物、安定化剤、水素抑制剤など)が、電気化学的セルの効率的な操業を維持するためにカソード液区分室、アノード液区分室、および他の区分室に添加され得、またはカソード液区分室、アノード液区分室、および他の区分室から回収され得る。例えば、窒素含有化合物は、連続的にもしくは断続的にカソード液区分室に添加されなければならない。場合によっては、断続的もしくは連続的に、酸をアノード液区分室から除去する必要があり得る。
【0080】
1つの実施態様において、ヒドロキシルアンモニウム塩(または以下に説明するアジポニトリル)が生産される区分室に入れられる溶液もまた必要に応じて水素抑制剤を含み得る。水素抑制剤の例としては、チオ化合物(例えば、チオウレア)および第4級アンモニウム塩(例えば第4級アルキルアンモニウム塩化物、硝酸塩、硫酸塩、臭化物、リン酸塩、炭酸塩および重炭酸塩)が挙げられる。具体的な第4級アルキルアンモニウムイオンの例としては、以下が挙げられる:第4級メチルアンモニウム、第4級エチルアンモニウム、第4級プロピルアンモニウム、第4級ブチルアンモニウム、ジメチルジエチルアンモニウム、メチルトリエチルアンモニウムなど。1つの実施態様において、溶液中の水素抑制剤の量は、溶液の約0.001重量%〜約10重量%の範囲であり得る。別の実施態様において、溶液中の水素抑制剤の量は、溶液の約0.01重量%〜約1重量%の範囲であり得る。
【0081】
別の実施態様において、ヒドロキシルアンモニウム塩が生産される区分室に入れられる溶液はまた、必要に応じて、安定化剤を含み得る。いくつかの例において、安定化剤は、ヒドロキシルアンモニウム塩の分解を阻害する。安定化剤の例としては、以下が挙げられる:キノリン誘導体、チオカルボン酸、チオスルフェート、ヒドロキシアントラキノンなど。具体的な例としては、8−ヒドロキシキノリン、モリン水和物およびケルセチンが挙げられる。溶液中の安定化剤の量は、存在する電解質の重量に基づいて、約5×10-4重量%〜約1重量%の範囲であり得る。
【0082】
ヒドロキシルアンモニウム塩が(窒素含有化合物を含む溶液およびメディエータまたはメディエータ形成フィルムをその上に有する電極で開始して)生産される1つの特定の実施態様において、電気化学的セルは、アノード、カソード、および仕切板を含む(図2を参照)。この実施態様において、仕切板は、好ましくは、カチオン選択性膜である。いくつかの実施態様において、追加的な仕切板がセル中において使用され得る。しかし、一般的にはこれらは必要ではない。
【0083】
ヒドロキシルアミンが(ヒドロキシルアンモニウム塩を含む溶液およびメディエータまたはメディエータ形成フィルムをその上に有する電極で開始して)生産される1つの特定の実施態様において、電気化学的セルは、アノード、カソード、双極膜、および仕切板を含む(図3を参照)。この実施態様において、仕切板は、好ましくは、アニオン選択性膜である。いくつかの実施態様において、追加的な仕切板がセル中において使用され得る。しかし、一般的にはこれらは必要ではない。
【0084】
例えば、ヒドロキシルアミンが(ヒドロキシルアンモニウム塩を含む溶液およびメディエータまたは触媒フィルムをその上に有する電極で開始して)生産される別の特定の実施態様において、電気化学的セルは、アノード、カソード、双極膜、および2つの仕切板を含む(図4を参照)。この実施態様において、2つの仕切板は、アノードの次のアニオン選択性膜および双極膜の次のカチオン選択性膜を含む。
【0085】
ヒドロキシルアミンが(ヒドロキシルアンモニウム塩を含む溶液およびメディエータまたはメディエータ形成フィルムをその上に有する電極で開始して)生産される1つの特定の実施態様において、電気化学的セルは、アノード、カソード、および仕切板を含む(図5を参照)。この実施態様において、仕切板は、好ましくは、アニオン選択性膜であり、そしてカソードは、好ましくは気体拡散カソードである。
【0086】
ヒドロキシルアンモニウム塩およびヒドロキシルアミンの両方が単一のセルで生産される特定の実施態様において、電気化学的セルは、アノード、カソード、双極膜および仕切板を備える(図6を参照のこと)。この実施態様において、この仕切板は、好ましくは陰イオン選択性膜である。
【0087】
従って、窒素含有化合物からヒドロキシルアンモニウム塩を製造する方法は1つの電気化学的セルの使用を含む一方で、窒素含有化合物からヒドロキシルアンモニウム塩を介してヒドロキシルアミンを製造する方法は1つまたは少なくとも2つの電気化学的セルの使用を含む。ヒドロキシルアミンを製造するために2つの電気化学的セルを使用する実施態様において、ヒドロキシルアンモニウム塩は第1の電気化学的セル(例えば、図2のセル)で製造され、そしてヒドロキシルアミンは第2の電気化学的セル(例えば、図3、4または5のセル)で製造される。
【0088】
ヒドロキシルアンモニウム塩のみが生産されるか、ヒドロキシルアンモニウム塩およびヒドロキシルアミンが生産されるか、あるいは図2および3の電気化学的セルと同一または類似のセルを使用する実施態様において、カソード液区分室は窒素含有化合物およびメディエータの溶液ならびに必要に応じて酸を含有する。電気化学的セルのカソードが、その上にメディエータで形成されたフィルムを有する実施態様において、このカソード液区分室は窒素含有化合物の溶液および必要に応じて酸を含有する(メディエータはフィルムなので除外され得る)。この酸の選択は、生産されることが所望される個々のヒドロキシルアンモニウム塩によって決定される。この酸は所望されるヒドロキシルアンモニウム塩のアニオンを含有し得る。この窒素含有化合物の濃度は、約0.01M〜10Mであり得る。好ましくは、窒素含有化合物の濃度は、約0.5M〜約1Mである。このメディエータの濃度は、存在する場合、約1mM〜約1Mであり得る。好ましくは、このメディエータの濃度は、存在する場合、約10mM〜約100mMである。この酸の濃度は、約0.01M〜約5Mであり得る。好ましくは、この酸濃度は、約0.5M〜約1Mである。
【0089】
ヒドロキシルアミンのみを生産することを意図するか、あるいは図3または4の電気化学的セルと同一または類似のセルを使用する実施態様において、このカソード液区分室はイオン性化合物の溶液(電解質溶液)を含む。任意のイオン性化合物をカソード液区分室中で使用し得るが、好ましい実施態様において、カソード液区分室中のイオン性化合物は塩基である。これらの実施態様において、カソード液区分室中のイオン性化合物の濃度は約0.01M〜約10Mであり、そして好ましくは約0.1M〜約1Mである。カソード液区分室中のイオン性化合物の濃度は、存在する他の区分室中のイオン性化合物の濃度と同一、それより高い、またはそれより低くあり得る。
【0090】
ヒドロキシルアミンのみを生産することを意図するか、あるいは図5の電気化学的セルと同一または類似のセルを使用する実施態様において、このカソード液区分室はヒドロキシルアンモニウム塩およびメディエータの溶液を含む。ヒドロキシルアミンのみを生産することを意図するか、あるいは図5の電気化学的セルと同一または類似のセルを使用してかつ電気化学的セルのカソードがその上にメディエータで形成されたフィルムを有する他の実施態様において、このカソード液区分室はヒドロキシルアンモニウム塩の溶液を含む。ヒドロキシルアンモニウム塩の濃度は、約0.1M〜10Mであり得る。好ましくは、ヒドロキシルアンモニウム塩濃度の濃度は、約0.5M〜約2Mである。このメディエータの濃度は、存在する場合、約1mM〜約1Mであり得る。好ましくは、このメディエータの濃度は、存在する場合、約10mM〜約100mMである。
【0091】
電気化学的セルの回収区分室(一般に、中間区分室および/または双極膜の隣)は、最初は、必要に応じてイオン性化合物を含む溶液を含む。回収区分室中のイオン性化合物は、存在する他の区分室中のイオン性化合物と同一であり得るかまたは異なり得る。回収区分室中のイオン性化合物の濃度は約0.01M〜10Mであり、そして好ましくは約0.1M〜約0.5Mである。回収区分室中のイオン性化合物の濃度は、他の区分室中のイオン性化合物の濃度と同一、それより高い、またはそれより低くあり得る。いくつかの実施態様において(例えば、図3を参照のこと)、この回収区分室はヒドロキシルアンモニウム塩およびメディエータの溶液でチャージされる(カソード上にメディエータで形成されたフィルムが存在しない場合)。ヒドロキシルアンモニウム塩の濃度は、約0.1M〜10Mであり得る。好ましくは、ヒドロキシルアンモニウム塩濃度は、約0.5M〜約2Mである。このメディエータの濃度は、存在する場合、約1mM〜約1Mであり得る。好ましくは、このメディエータの濃度は、存在する場合、約10mM〜約100mMである。図4の実施態様において、この供給区分室(一般的に、中間区分室)は、存在する場合、ヒドロキシルアンモニウム塩およびメディエータ(上記と同一の濃度)の溶液でチャージされ、そして回収区分室は任意のイオン性化合物を有する溶液を含む。
【0092】
カソード液区分室中で生産されるヒドロキシルアンモニウム塩の濃度は、約0.1M〜10Mであり、そして好ましくは、約0.5M〜約2Mである。次いで、カソード液区分室中で生産されるヒドロキシルアンモニウム塩の一部は回収されるか、または別の電気化学的セルもしくは同一のセルの回収区分室に物理的に移されるかのいずれかである(例えば、図6を参照のこと)。このことは、当業者に公知の手段によって、間欠的にかまたは連続的にのいずれかを基本として達成され得る。この回収区分室中で生産されるヒドロキシルアミンの濃度は約0.1M〜約16Mであり、そして好ましくは約2M〜約5Mである。
【0093】
図6を参照すると、電気化学的セル60は、カソード61、アノード62、そしてカソード61で始まって、双極膜63および仕切板64の配列で作製される。好ましい実施態様において、この仕切板64は陰イオン選択性膜である。この双極膜63は、アノードに面した陰イオン選択性側面(示さず)、およびカソードに面した陽イオン選択性側面(示さず)を有する。電気化学的セル60は3つの区分室を備える;すなわち、カソード液区分室65、回収区分室66およびアノード液区分室67。
【0094】
図6に示される電気化学的セルの操作において、窒素含有化合物およびメディエータを含有する溶液はカソード液区分室65にチャージされる。イオン性化合物を含有する電解質溶液は回収区分室66およびアノード液区分室67にチャージされる。イオン性化合物は、回収区分室では第1の濃度であり、そしてアノード液区分室67では第2の濃度である。電位をアノードとカソードとの間で確立および維持して電気化学的セルにわたる電流を生成し、その結果、ヒドロキシルアンモニウム塩をカソード液区分室65中に生産する。ヒドロキシルアンモニウム塩を含有するカソード液溶液の一部は回収されるか、またはライン68によって示されるように物理的にカソード液区分室65から取り除かれてそして回収区分室66へと移されるかのかのいずれかである。アノードとカソードとの間で維持される電位の結果として、ヒドロキシルアンモニウム塩の塩(陰イオン)はアノード62の方へと引きつけられ、それによって仕切板64を通過してアノード液区分室67へと入る。ヒドロキシルアミンは回収区分室66で生産される。次いで、ヒドロキシルアミンは回収区分室66で生産される。次いで、ヒドロキシルアミンは回収区分室66から回収される。(回収区分室へとチャージされる前に)ヒドロキシルアミンおよび/またはヒドロキシルアンモニウム塩を、1以上の蒸留、逆浸透圧、電気透析法およびイオン交換技術を使用するさらなる処理によって精製し得る。
【0095】
好ましい実施態様において、アノード液区分室中の溶液の一部はライン69によって示されるように、物理的に取り除かれてそしてカソード液区分室65へと移され得る。なおさらなる好ましい実施態様において、このアノード液区分室から得られる酸溶液はカソード液区分室へと添加される前に濃縮される。塩として、ヒドロキシルアンモニウム塩からの陰イオンは仕切板64を通過してアノード液区分室67へと移動し、この塩に対応する酸がアノード液区分室中で生産される。
【0096】
必要に応じて、電気化学的セルの効率的な操作を維持するために種々の化合物(例えば、1以上の酸、水、1以上のイオン性化合物、窒素含有化合物、メディエータ、安定化剤など)が添加され得るか、またはカソード液区分室、回収区分室およびアノード液区分室から回収され得る。例えば、窒素含有化合物は、カソード液区分室へと連続的または間欠的に添加されねばならない。時々、間欠的にかまたは連続的に酸をアノード液区分室から除去することも必要とし得る。
【0097】
図6に記載される実施態様は、一般的なヒドロキシルアンモニウム塩の形成を例示するけれども、記載される電気化学的セルおよび方法は上記の異なる酸を利用することによって多数の所望される特有のヒドロキシルアンモニウム塩を調製するために利用され得る。それゆえ、ヒドロキシルアンモニウム塩化物塩は塩酸溶液を利用することにより調製され得、ヒドロキシルアンモニウム硫酸塩は硫酸溶液を利用することにより調製され得、ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩は硝酸溶液を利用することにより調製され得、ヒドロキシルアンモニウムホウ酸塩はホウ酸を利用することにより調製され、そしてギ酸塩および酢酸塩はギ酸および酢酸を利用することにより調製され得る。
【0098】
図2を参照すると、電気化学的セル20はカソード21、アノード22および仕切板23から作製される。好ましい実施態様において、仕切板23は陽イオン選択性膜である。電気化学的セル20は2つの区分室を備える;すなわち、カソード液区分室24およびアノード液区分室25。
【0099】
図2に例示される電気化学的セルの操作において、窒素含有化合物およびメディエータを含有する溶液はカソード液区分室24にチャージされる。イオン性化合物を含む電解質溶液がアノード液区分室25にチャージされる。好ましい実施態様において、イオン性化合物は酸である。電位をアノードとカソードとの間で確立および維持して電気化学的セルにわたる電流を生成し、その結果、ヒドロキシルアンモニウム塩をカソード液区分室24中に生産する。ヒドロキシルアンモニウム塩をカソード液区分室24から回収する。ヒドロキシルアンモニウム塩を、1以上の蒸留、逆浸透圧、電気透析法およびイオン交換技術を使用するさらなる処理によって精製し得る。
【0100】
図3を参照すると、電気化学的セル30は、カソード31、アノード32、ならびにカソード31で始まって、双極膜33および仕切板34の配列で作製される。好ましい実施態様において、この仕切板34は陰イオン選択性膜である。この双極膜33は、アノードに面した陰イオン選択性側面(示さず)、およびカソードに面した陽イオン選択性側面(示さず)を有する。電気化学的セル30は3つの区分室を備える;すなわち、カソード液区分室35、回収区分室36およびアノード液区分室37。
【0101】
図3に示される電気化学的セルの操作において、ヒドロキシルアンモニウム塩およびメディエータを含有する溶液を回収区分室36にチャージする。イオン性化合物を含有する溶液をカソード液区分室35およびアノード液区分室37にチャージする。カソード液区分室中のイオン性化合物はアノード液区分室中のイオン性化合物と同一であるかまたは異なる。好ましい実施態様において、カソード液区分室中のイオン性化合物が塩基である一方、アノード液区分室中のイオン性化合物は酸である。電位をアノードとカソードとの間で確立および維持して電気化学的セルにわたる電流を生成し、その結果、ヒドロキシルアミンを回収区分室36中に生産する。アノードとカソードとの間で維持される電位の結果として、ヒドロキシルアンモニウム塩の塩(陰イオン)はアノード32の方へと引きつけられ、それによって仕切板34を通過してアノード液区分室37へと入る。次いで、ヒドロキシルアミンを回収区分室36から回収する。ヒドロキシルアミンを、1以上の蒸留、逆浸透圧、電気透析法およびイオン交換技術を使用するさらなる処理によって精製し得る。
【0102】
図4を参照すると、電気化学的セル40は、カソード41、アノード42、ならびにカソード41で始まって、双極膜43、第1の仕切板44および第2の仕切板45の配列で作製される。好ましい実施態様において、第1の仕切板44は陽イオン選択性膜であり、そして第2の仕切板は陰イオン選択性膜である。この双極膜43は、アノードに面した陰イオン選択性側面(示さず)、およびカソードに面した陽イオン選択性側面(示さず)を有する。電気化学的セル40は4つの区分室を備える;すなわち、カソード液区分室46、回収区分室47、供給区分室48およびアノード液区分室49。
【0103】
図4に示される電気化学的セルの操作において、ヒドロキシルアンモニウム塩およびメディエータを含有する溶液は供給区分室48にチャージされる。イオン性化合物を含有する溶液はカソード液区分室35およびアノード液区分室37にチャージされる。必要に応じてイオン性化合物を含有する溶液が回収区分室47にチャージされる。このカソード液区分室のイオン性化合物はアノード液区分室(および/または回収区分室)のイオン性化合物と同一であるかまたは異なる。好ましい実施態様において、カソード液区分室中のイオン性化合物が塩基である一方、アノード液区分室中のイオン性化合物は酸である。電位をアノードとカソードとの間で確立および維持して電気化学的セルにわたる電流を生成し、その結果、ヒドロキシルアミンを回収区分室47中に生産する。アノードとカソードとの間で維持される電位の結果として、ヒドロキシルアンモニウム塩の塩(陰イオン)はアノード42の方へと引きつけられ、それによって第2の仕切板45を通過してアノード液区分室49へと入る。次いで、ヒドロキシルアミンを回収区分室47から回収する。ヒドロキシルアミンを、1以上の蒸留、逆浸透圧、電気透析法およびイオン交換技術を使用するさらなる処理によって精製し得る。
【0104】
図5を参照すると、電気化学的セル50はカソード51、アノード52および仕切板53から作製される。好ましい実施態様において、仕切板53は陰イオン選択性膜であり、そしてカソードはガス拡散カソードである。電気化学的セル50は2つの区分室を備える;すなわち、カソード液区分室54およびアノード液区分室55。
【0105】
図5に示される電気化学的セルの操作において、ヒドロキシルアンモニウム塩およびメディエータを含有する溶液はカソード液区分室54にチャージされる。イオン性化合物を含有する溶液はアノード液区分室55にチャージされる。好ましい実施態様において、アノード液区分室中のイオン性化合物は酸である。電位をアノードとカソードとの間で確立および維持して電気化学的セルにわたる電流を生成し、その結果、ヒドロキシルアミンをカソード液区分室54中に生産する。アノードとカソードとの間で維持される電位の結果として、ヒドロキシルアンモニウム塩の塩(陰イオン)はアノード52の方へと引きつけられ、それによって仕切板53を通過してアノード液区分室55へと入る。次いで、ヒドロキシルアミンをカソード液区分室54から回収する。ヒドロキシルアミンを、1以上の蒸留、逆浸透圧、電気透析法およびイオン交換技術を使用するさらなる処理によって精製し得る。
【0106】
本発明の別の実施態様において、触媒フィルムを使用して電気化学的にアクリロニトリルをアジポニトリルへと変換する。詳細には、カソード上のフィルム形成性化合物によって形成されたフィルムの存在下でアクリロニトリルをアジポニトリルに変換する。図2を参照すると、アクリロニトリルを含有する溶液をカソード液区分室24にチャージする。イオン性化合物を含有する電解質溶液をアノード液区分室25にチャージする。好ましい実施態様において、このイオン性化合物は酸である。この実施態様において、仕切板23は、好ましくは、陽イオン選択性膜である。いくつかの実施態様において、さらなる仕切板をセル中で使用し得るが、それらは一般的に必要とされない。電位をアノードとカソードとの間で確立および維持して電気化学的セルにわたる電流を生成し、その結果、アジポニトリルをカソード液区分室24中に生産する。アジポニトリルをカソード液区分室24から回収する。アジポニトリルを、1以上の蒸留、逆浸透圧、電気透析法およびイオン交換技術を使用するさらなる処理によって精製し得る。
【0107】
アジポニトリルをカソード液中に生産する実施態様において、電流をアノードとカソードとの間に、約0.1ASI(一平方インチあたりのamp)〜約10ASI、より頻繁には、約2ASI〜4ASIの見かけの電流密度を、約3ボルト〜約4ボルトで付与する。電流を、カソード液区分室中にアジポニトリルを生産するために有効な時間の間、電気化学的セルに付与する。
【0108】
カソード液区分室中のアクリロニトリルの濃度は約0.01M〜約10Mであり得る。好ましくは、アクリロニトリル濃度は約0.5M〜約1Mである。アノード液区分室中のイオン性化合物の濃度は、約0.01M〜約5Mであり得る。好ましくは、イオン性化合物の濃度は約0.5M〜約1Mである。イオン性化合物は上記のものである。
【0109】
カソード液区分室中で形成されたアジポニトリルの濃度は、約0.1M〜10Mであり得る。好ましくは、カソード液区分室中で形成されるアジポニトリル濃度は、約0.5M〜約2Mである。
【0110】
以下の詳細な実施例は、さらに本発明に従うヒドロキシルアンモニウム塩およびヒドロキシルアミンの調製を例示する。実施例中、ならびに明細書および請求の範囲のどこか他の場所に別に記載されない限り、全ての部およびパーセントは重量部および重量パーセントであり、温度は摂氏温度であり、そして圧は標準大気圧であるかまたは標準大気圧付近である。
【0111】
(実施例10)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例1に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸を含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、5Amp(0.3ASI)の電流と約3.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.8M硝酸および1.3Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率60%が達成される。
【0112】
(実施例11)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例3に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸を含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、15Amp(1ASI)の電流と約3.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。1.1Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩および0.9M硝酸および0.05M硝酸アンモニウムの溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率35%が達成される。
【0113】
(実施例12)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例4に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸を含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、30Amp(2ASI)の電流と約6ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.8M硝酸および1.9Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率60%が達成される。
【0114】
(実施例13)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例4に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸を含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、15Amp(1ASI)の電流と約4.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。1.2Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩および1.2M硝酸および0.1M硝酸アンモニウムの溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率40%が達成される。
【0115】
(実施例14)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、ニオブで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸および50mM 1,4−フェニレンジアミンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、5Amp(0.3ASI)の電流と約3ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。約1時間後にカソード上にフィルムが形成する。そして0.8Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩および0.9M硝酸および0.03M硝酸アンモニウムの溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率45%が達成される。
【0116】
(実施例15)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例5に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。0.5M硝酸を含む溶液をカソード液区分室に入れる。濃硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、20Amp(5ASI)の電流と約5.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.50M硝酸および1.67Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率85%が達成される。
【0117】
(実施例16)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例6に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1.0M硝酸を含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。濃硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、20Amp(5ASI)の電流と約5ボルトのセル電圧とを印加する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.7M硝酸および1.26Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率74%が達成される。
【0118】
(実施例17)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例7に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸の溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。濃硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、20Amp(5ASI)の電流と約6.5ボルトのセル電圧とを印加する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.8M硝酸および1.3Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率60%が達成される。
【0119】
(実施例18)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例1に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M塩酸および1Mニトロベンゼンの溶液をセルのカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。温度を25℃と30℃との間に維持しながら、10amp(2.5ASI)の電流と約5.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。0.9Mフェニルヒドロキシルアンモニウムクロライドの溶液をカソード液区分室から得る。フェニルヒドロキシルアンモニウムクロライドの形成について全体の電流効率55%が達成される。
【0120】
(実施例19)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例1に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。実施例10の一般的手順を繰り返す。ただし、チオウレアもまたカソード液区分室中に添加する。1M硝酸および250mMのチオウレアの溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、45amp(3ASI)の電流と約6.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.5M硝酸および1.77Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率90%が達成される。
【0121】
(実施例20)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例1に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。実施例10の一般的手順を繰り返す。ただし、テトラブチルアンモニウムクロライドをカソード液区分室中に添加する。1M硝酸および0.1Mテトラブチルアンモニウムクロライドの溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、45amp(3ASI)の電流と約6.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.7M硝酸および1.65Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率85%が達成される。
【0122】
(実施例21)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例1に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。実施例10の一般的手順を繰り返す。ただし、1Mニトロベンゼンもまた入れた溶液をセルのカソード液区分室中に添加する。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。温度を25℃と30℃との間に維持しながら、10amp(2.5ASI)の電流と約5.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。0.9Mフェニルヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。フェニルヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率55%が達成される。
【0123】
(実施例22)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、実施例3に従って作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。実施例10の一般的手順を繰り返す。ただし、1.5Mのアクリロニトリルおよび0.2Mのテトラエチルアンモニウムp−トルエンスルホネートをカソード液区分室中に入れて添加する。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。温度を25℃と30℃との間に維持しながら、12amp(3ASI)の電流と約4.50ボルトのセル電圧とを印加する。0.45Mアジポニトリルの溶液をカソード液区分室から得る。アジポニトリルの形成について全体の電流効率95%が達成される。
【0124】
(実施例23)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、グラファイトで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸および50mM 1,4−フェニレンジアミンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、5Amp(0.3ASI)の電流と約3.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.8M硝酸および1.3Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率60%が達成される。
【0125】
(実施例24)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、グラファイトで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。グラファイトカソードに、グラファイトフェルトをとり付けて、活性カソード表面積を増大させる。1M硝酸および50mM 1,4−フェニレンジアミンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、45Amp(3ASI)の電流と約6.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.6M硝酸および1.7Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率75%が達成される。
【0126】
(実施例25)
図3に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、ステンレス鋼のカソード、Tokuyama Bipolar 1双極膜、Asahi glass AAV アニオン選択性膜(仕切板として)を含む。0.5M水酸化ナトリウムの溶液をカソード液区分室に入れる。0.3M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。そして1.7Mヒドロキシルアミン硝酸塩、0.7M硝酸および50mMの1,4−フェニレンジアミンを回収区分室に入れる。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、5Ampの電流と約9.1ボルトのセル電圧とを印加する。1.6Mのヒドロキシルアミンおよび50mMの1,4−フェニレンジアミンを含む溶液を回収区分室から回収する。蒸留による精製の後に純粋なヒドロキシルアミンを得る。
【0127】
(実施例26)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、グラファイトで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。グラファイトカソードに、グラファイトフェルトをとり付けて、活性カソード表面積を増大させる。1M硝酸および50mM〜100mMアントラキノン−2,6−ジスルホン酸ジナトリウム塩を含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、15Amp(1ASI)の電流と約3.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。1.1Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩および0.9M硝酸および0.05M硝酸アンモニウムの溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率35%が達成される。
【0128】
(実施例27)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、グラファイトで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。グラファイトカソードに、グラファイトフェルトをとり付けて、活性カソード表面積を増大させる。1M硝酸および50mM〜400mM 4,4’−オキシジアニリンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、30Amp(2ASI)の電流と約6ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.8M硝酸および1.9Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率60%が達成される。
【0129】
(実施例28)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、グラファイトで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。グラファイトカソードに、カーボンフェルトをとり付けて、活性カソード表面積を増大させる。1M硝酸および50mM〜0.1M塩化スズを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、15Amp(1ASI)の電流と約4.5ボルトのセル電圧とを印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。1.2Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩および1.2M硝酸および0.1M硝酸アンモニウムの溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率40%が達成される。
【0130】
(実施例29)
図2に従う電気化学的セルが提供される。これは、ルテニウムオキシドコーティングされたチタンで作製されたアノード、ニオブで作製されたカソード、および仕切板としてのNafion423カチオン選択性膜を含む。1M硝酸および50mM 1,4−フェニレンジアミンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、5Amp(0.3ASI)の電流と約3ボルトのセル電圧を印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。0.8Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩および0.9M硝酸および0.03M硝酸アンモニウムの溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率45%が達成される。
【0131】
(実施例30)
実施例23の一般的手順を繰り返す。ただし、グラファイトカソードに、1枚のグラファイトフェルトをとり付けて、カソード表面積を増大させる。0.5M硝酸および50mM 1,4−フェニレンジアミンを含む溶液をカソード液区分室に入れる。濃硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、20amp(5ASI)の電流と約5.5ボルトのセル電圧を印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.50M硝酸および1.67Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率85%が達成される。
【0132】
(実施例31)
実施例30の一般的手順を繰り返す。ただし、1.0M硝酸および70ppm p−アミノフェノールを含む溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。濃硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、20amp(5ASI)の電流と約5ボルトのセル電圧を印加する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.7M硝酸および1.26Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率74%が達成される。
【0133】
(実施例32)
実施例30の一般的手順を繰り返す。ただし、1M硝酸および100ppmヒドロキノンの溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に添加する。濃硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、20amp(5ASI)の電流と約6.5ボルトのセル電圧を印加する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.8M硝酸および1.3Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率60%が達成される。
【0134】
(実施例33)
実施例30の一般的手順を繰り返す。ただし、チオウレアもまたカソード液区分室に添加する。1M硝酸、50mM 1,4−フェニレンジアミンおよび250mMのチオウレアの溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、45amp(3ASI)の電流と約6.5ボルトのセル電圧を印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.5M硝酸および1.77Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率90%が達成される。
【0135】
(実施例34)
実施例30の一般的手順を繰り返す。ただし、テトラブチルアンモニウムクロライドをカソード液区分室に添加する。1M硝酸、50mM 1,4−フェニレンジアミンおよび0.1Mテトラブチルアンモニウムクロライドの溶液をカソード液区分室に入れる。4M硝酸の溶液をアノード液区分室に入れる。硝酸をカソード液区分室に添加して、電流を印加しながら、硝酸濃度を、0.5Mと1Mとの間に維持する。温度を5℃と10℃との間に維持しながら、45amp(3ASI)の電流と約6.5ボルトのセル電圧を印加する。電流を印加しながらカソード液を攪拌する。検出可能な硝酸アンモニウムがない0.7M硝酸および1.65Mヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の溶液をカソード液区分室から得る。ヒドロキシルアンモニウム硝酸塩の形成について全体の電流効率85%が達成される。
【0136】
本発明は、効率的であり、低コストであり、そして複雑でない、高純度のヒドロキシルアンモニウム塩、ヒドロキシルアミンおよびアジポニトリルの電気化学的調製方法を提供する。水銀含有カソードおよび/または鉛含有カソードの使用が必要とされないので、本発明は、毒性に関する心配を引き起こさず、そして環境に優しい。いくつかの実施態様においては、気体透過性のカソードの使用が必要とされないので、本発明は比較的低コストで、簡単に実施される。
【0137】
本発明の好ましい実施態様に関連して説明した。しかし、本明細書を読めばその様々な改変が当業者に自明であることが理解されるべきである。従って、本明細書中に開示された発明が、そのような改変を添付の特許請求の範囲に含むことを意図していることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明による触媒フィルムの調製において有用な電気化学的セルの略断面図である。
【図2】 図2は、本発明による触媒フィルムの調製において有用な電気化学的セルの略断面図である。
【図3】 図3は、本発明による触媒フィルムの調製において有用な電気化学的セルの略断面図である。
【図4】 図4は、本発明によるヒドロキシアンモニウム塩およびヒドロキシルアミンの調製において有用な電気化学的セルの略断面図である。
【図5】 図5は、本発明によるヒドロキシアンモニウム塩およびヒドロキシルアミンの調製において有用な電気化学的セルの略断面図である。
【図6】 図6は、本発明によるヒドロキシアンモニウム塩およびヒドロキシルアミンの調製において有用な電気化学的セルの略断面図である。
[0001]
(Technical field)
The present invention relates to methods for preparing hydroxylammonium salts and hydroxylamines using mediators, catalyst films, methods of making catalyst films, and methods of using catalyst films. More particularly, the present invention relates to a catalyst film formed on an electrode by the interaction of a film-forming compound and nitrate ions.
[0002]
(Background of the Invention)
Hydroxyl ammonium salts are compounds with various applications. For example, hydroxylammonium nitrate can be used as a component of liquid fuels and as a reducing agent in photographic operations. In some of these applications, it is desirable that a high purity hydroxylammonium salt solution be available.
[0003]
There are several production methods for producing hydroxylammonium salts. For example, in the case of hydroxylammonium nitrate, some of these methods include: electrodialysis of hydroxylammonium chloride and nitrate; reaction of hydroxylammonium sulfate and barium nitrate; using hydroxylammonium sulfate and nitric acid 3 Process cation exchange process; and electrolytic reduction of nitric acid. However, some of these methods do not provide the high purity hydroxylammonium salt solution required by some applications of this compound. As a result, procedures have been developed to purify hydroxylammonium salt solutions produced by existing methods. Nevertheless, there is still substantial demand for large quantities of high purity hydroxylammonium salt solutions. There is also a need for an efficient process for making hydroxylammonium salts.
[0004]
Hydroxylamine is useful as an intermediate in chemical processes, particularly in the pharmaceutical industry and agriculture. This is also useful in stripper formulations. The stripper formulation can be used to remove the photoresist from the substrate or to clean the substrate. For example, a hydroxylamine stripper solution can be used to remove a polyamide coating from a metal foil. Hydroxylamine stripper solutions are utilized in the printed circuit board and semiconductor industries.
[0005]
Frequently, solutions of hydroxylamine, especially those prepared from hydroxylammonium salts, contain undesirable amounts of impurities such as salts, ammonium ions, metals and organics. There is therefore a need for a hydroxylamine solution having a high purity. There is also a need for an efficient process for making hydroxylamine.
[0006]
The production of hydroxylamine by electroreduction of nitric oxide in sulfuric acid is J. et al. J. Janssen et al., Electrochimica Acta, 1977, Vol. 22, p. L. Bathia et al., The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 57, October 1979, pages 631-7. Janssen et al. Utilize a platinum cathode, and Bathia et al. Utilize a cathode bed of tungsten carbide particles. The electroreduction of nitric oxide with large amounts of platinum in perchloric acid and sulfuric acid solutions is described in J. Am. A. Colucci et al., Electrochimica Acta, Vol. 30, No. 4, 521-528, 1985.
[0007]
US Pat. No. 5,281,331 relates to a process in an electrolysis cell including: (A) an anolyte compartment with an anode, a catholyte compartment with an oxygen-consuming cathode, and an anolyte compartment and Providing an electrolysis cell comprising an anionic partition separating the catholyte compartment; (B) an aqueous solution containing acid and water in the anolyte compartment, and a hydroxylamine salt, water, in the catholyte compartment; And, optionally, providing an aqueous solution containing an acid; (C) filling the catholyte compartment with an oxygen-containing gas; (D) reducing the acid content in the catholyte compartment and / or salting hydroxyl Passing direct current through the electrolysis cell for a period of time effective to convert to amine; and (E) catholyte compartment From the chamber, recovering the hydroxylamine or hydroxylamine salt solution containing acid reduced amount.
[0008]
US Pat. No. 5,447,610 describes neutral electrolytes to form at least one dinitrogen monoxide and hydroxylamine, or acidic electrolytes such as organic or inorganic acids to form hydroxylammonium salts. It relates to the preparation of hydroxylamine and hydroxylammonium salts by electrolytically reducing a mixture containing either. The electrolytic reduction is performed in an electrolysis cell comprising an anolyte compartment with an anode, a catholyte compartment with a cathode, and a partition that separates the anolyte compartment and the catholyte compartment. Here, at least one nitrous oxide and electrolyte mixture is present in the catholyte compartment and acid is present in the anolyte compartment.
[0009]
(Summary of the Invention)
In one embodiment, the present invention relates to a catalyst film made by applying an electric current to an electrochemical cell comprising two electrodes and a solution comprising a film-forming compound and a nitrate ion source.
[0010]
In another embodiment, the present invention relates to a method of making a catalyst film comprising applying an electric current to an electrochemical cell comprising: an anode, a cathode, and a solution comprising a film-forming compound and a nitrate ion source. And thereby forming a catalyst film.
[0011]
In another embodiment, the present invention is made by applying a current to a first electrochemical cell comprising an anode and a cathode and a film forming solution comprising a film forming compound and a nitrate ion source. Concerning a method of using a catalyst film formed on the cathode, the method comprises: providing a second electrochemical cell comprising an anode, a cathode having the catalyst film, and a reactant solution comprising a reactant. Applying a current to the second electrochemical cell; and recovering a product from the second electrochemical cell.
[0012]
In another embodiment, the present invention relates to a method of preparing a hydroxylammonium salt, the method comprising: an anode, a cathode, and a divider located between the anode and the cathode, the cathode and the partition. Providing an electrochemical cell with a partition plate defining a catholyte compartment between the plate and an anolyte compartment between the anode and the partition; the catholyte compartment containing nitrogen Filling the anolyte compartment with a first solution comprising a compound and a mediator and a second solution comprising an ionic compound; passing an electric current through the electrochemical cell and the catholyte compartment Producing a hydroxylammonium salt in the chamber; and recovering the hydroxylammonium salt from the catholyte compartment.
[0013]
In another embodiment, the present invention relates to a method for producing a hydroxylammonium salt by reducing a nitrogen-containing compound, wherein a mediator is used with the nitrogen-containing compound.
[0014]
In another embodiment, the present invention relates to a method for preparing hydroxylamine, the method comprising: an anode, a cathode, and a divider located between the cathode and the anode, the cathode and the divider Providing an electrochemical cell with a catholyte compartment between and a partition plate defining an anolyte compartment between the partition and the anode; the catholyte compartment with a hydroxylammonium salt And filling the anolyte compartment with a first electrolyte solution; passing a current through the electrochemical cell to produce hydroxylamine in the catholyte compartment And recovering the hydroxylamine from the catholyte compartment.
[0015]
In another embodiment, the invention relates to a method of making hydroxylamine from a hydroxylammonium salt in an electrochemical cell, wherein a mediator is used with the hydroxylammonium salt.
[0016]
In another embodiment, the present invention relates to a method of preparing a hydroxyammonium salt, the method comprising an anode, a cathode, and a divider located between the anode and the cathode, the cathode and the partition. A partition plate defining a catholyte compartment between the plate and an anolyte compartment between the anode and the partition plate, wherein the cathode has a film formed thereon from a mediator; Providing an electrochemical cell; filling the catholyte compartment with a first solution containing a nitrogen-containing compound and filling the anolyte compartment with a second solution containing an ionic compound; Passing an electric current through the electrochemical cell to produce a hydroxylammonium salt in the catholyte compartment; and Comprising the step of recovering from over de fluid compartment.
[0017]
In one embodiment, the present invention also provides an inexpensive and uncomplicated electrochemical method for efficiently preparing a variety of high purity compounds including, but not limited to, hydroxylammonium salts, hydroxylamine and adiponitrile.
[0018]
(Description of preferred embodiments)
In one embodiment, the present invention relates to a catalyst film and a method of forming the catalyst film. The catalyst film is formed on an electrode, typically in an electrochemical cell comprising at least a cathode, an anode, and a solution containing a film-forming compound and nitrate ions. In a preferred embodiment, the catalyst film is formed on the cathode of the electrochemical cell.
[0019]
While not wishing to be bound by any theory, it is believed that the interaction between the film-forming compound and nitrate ions forms a catalyst film on the electrode. The chemical identity of the catalyst film formed on the electrode due to the presence of the film-forming compound is unknown. However, the catalyst film is formed on the electrode substantially uniformly and smoothly. The catalyst film is typically dark orange to brown. This catalyst film is typically solid and porous. This film adheres strongly to the electrodes. This catalyst film has a pronounced catalytic effect that promotes at least one of the conversion of nitrogen-containing compounds to hydroxyammonium salts and the conversion of acrylonitrile to adiponitrile. While not wishing to be bound by any theory, this catalyst film increases the overvoltage for hydrogen evolution at the cathode, thereby facilitating the formation of products such as hydroxyammonium salts, hydroxylamine or adiponitrile. obtain.
[0020]
The thickness of the catalyst film formed on the electrode depends on the length of time that the film-forming compound and nitrate ions interact, the strength of the current, the relative concentration of the film-forming compound and nitrate ions, and other process parameters. It depends on various conditions such as The catalyst film typically has a thickness of at least about 0.1 nm, and typically from about 0.1 nm to about 500 μm. In another embodiment, the catalyst film has a thickness of at least about 0.5 nm, and typically from about 0.5 nm to about 100 μm. In another embodiment, the catalyst film has a thickness of at least about 1 nm, and typically from about 1 nm to about 10 μm.
[0021]
The catalyst film forms fairly rapidly during the first hour of the applied current and can last for at least 3 months (holding a pronounced catalytic effect). In this regard, once an electrode (such as a cathode) has such a catalyst film formed thereon, a film-forming compound in a solution that is loaded into an electrochemical cell for chemical processing. Need not be included. In other words, when an electrochemical cell comprising an electrode with such a catalyst film thereon is comprised, the solution that is refilled into the cell need contain only the reactants to produce the desired compound. There is.
[0022]
The mediator or film-forming compound includes an organic mediator or organic film-forming compound, and an inorganic mediator or inorganic film-forming compound. Organic film-forming compounds or organic mediators include one or more aromatic compounds and heterocyclic compounds that can form a catalyst film in the presence of nitrate ions. As used herein, the terms film-forming compound and mediator are interchangeable (they refer to the same compound); however, the term film-forming compound generally refers to the formation of a film that is not related to the use of the film. Used to indicate, while the term mediator is generally used to indicate the simultaneous use of a film to form a film and to form a final product such as a hydroxyammonium salt. Suitable film forming compounds or mediators include amino-aromatic compounds and quinone compounds. Specific examples of film forming compounds are: 1,4-phenylenediamine; 1,3-phenylenediamine; tetracyanoquinodimethane; N, N, N ′, N′-tetramethyl-p-phenylenediamine; p- Aminophenols such as aminophenol, m-aminophenol and o-aminophenol; aminothiophenol; tetrathiafulvalene; thianthrene; tri-Np-tolyamine; ferrocene; methylviologen dichloride Hydrates; quinone compounds such as hydroquinone, aminoanthraquinone, aminoanthraquinone-2-sulfonic acid sodium salt, anthraquinone-1,5-disulfonic acid disodium salt and anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium salt; , 4-bromo-2,3,5,6-tetrafluoroaniline, aniline compounds such as 4,4′-oxydianiline and 4′-aminoacetanilide; 1,10-phenanthroline; phenazine; 1,8-diamino Naphthalene; 1,4-diacetylbenzene; terephthaldicarboxaldehyde; terephthalic acid; and 2,5-dichloro-1,4-phenylenediamine.
[0023]
Inorganic mediators or inorganic film-forming compounds include metal mediators and non-organic mediators that can be reversibly reduced and oxidized. For example, each of the inorganic mediators is Me(n + x) +And Men +A metal (expressed as Me) having an oxidized and reduced form such as The inorganic mediator includes at least one of a cesium compound, a chromium compound, a cobalt compound, a copper compound, a manganese compound, a periodate compound, a silver compound, a sodium compound, a tin compound, a titanium compound, and a lead compound. A specific example of an inorganic mediator is Ag2+/ Ag+, Ce4+/ Ce3+, Co3+/ Co2+, Cr3+/ Cr2+, Cu2+/ Cu+, Mn3+/ Mn2+, Sn2+/ Sn4+, Ti3+/ Ti4+, Zn2+/ Zn0, IOFour -/ IOThree -And Na+/ Na (Hg). The inorganic mediator can be added to the electrochemical cell in metallic form (adding metal powder) or in salt form. The above metal salts are known such as acetates, bromides, carbonates, chlorides, fluorides, iodides, nitrates, oxalates, phosphates and sulfate salts (the hydroxyl groups described below). (See also the various anions of ammonium salts), and therefore a long list is not included herein.
[0024]
The determination of whether a prospective compound can be classified as a film-forming compound is determined by whether the film formed by the prospective compound according to the present invention facilitates the conversion of the reactant compound to the desired compound. Including the evaluation. In one embodiment, the prospective compound converts the reactant to product at a faster rate than the conversion under the same conditions except that it forms a catalyst film and no catalyst film is used. Can be classified as film-forming compounds. In another embodiment, the promising compound is converted to the hydroxyammonium salt of the nitrogen-containing compound at a faster rate than the conversion under the same conditions except that it forms a catalyst film and no catalyst film is used. Can be classified as film-forming compounds. In yet another embodiment, the promising compound converts acrylonitrile to adiponitrile at a faster rate than conversion under the same conditions except that it forms a catalyst film and no catalyst film is used. When promoted, it can be classified as a film-forming compound.
[0025]
The nitrate ions can be obtained from one or more nitrate ion sources. Sources of nitrate ions include nitric acid, alkali metal nitrates (eg, sodium nitrate, potassium nitrate and rubidium nitrate), alkaline earth metal nitrates (eg, magnesium nitrate, calcium nitrate and strontium nitrate), transition metal nitrates (eg, copper nitrate, Nickel nitrate, manganese nitrate, silver nitrate, zinc nitrate, etc.), ammonium nitrate, quaternary ammonium nitrate (eg, tetramethylammonium nitrate, tetraethylammonium nitrate, tetrapropylammonium nitrate, tetrabutylammonium nitrate, tetra-n-octylammonium nitrate, nitric acid) Methyl triethylammonium, diethyldimethylammonium nitrate, methyltripropylammonium nitrate, methyltributylammonium nitrate, cetyltrimethylammonium nitrate, Methylhydroxyethylammonium nitrate, trimethylmethoxyethylammonium nitrate, dimethyldihydroxyethylammonium nitrate, methyltrihydroxyethylammonium nitrate, phenyltrimethylammonium nitrate, phenyltriethylammonium nitrate, benzyltrimethylammonium nitrate, and benzyltriethylammonium nitrate), quaternary phosphonium nitrate ( For example, tetramethylphosphonium nitrate, tetraethylphosphonium nitrate, tetrapropylphosphonium nitrate, tetrabutylphosphonium nitrate, tetramethylhydroxyethylphosphonium nitrate, dimethyldihydroxyethylphosphonium nitrate, methyltrihydroxyethylphosphonium nitrate, phenyltrimethylphosphonium nitrate, phenyltriethylphosphonium nitrate Honiumu and nitrate benzyltrimethylammonium phosphonium), and tertiary sulfonium nitrates (e.g., nitrate trimethylsulfonium, nitrate triethyl sulfonium, nitrate tripropylamine sulfonium and combinations thereof).
[0026]
Once the catalyst film is formed on the electrode (typically the cathode), the electrochemical cell can be emptied and a solution containing the reactants of the desired chemical reaction can fill the cell. Alternatively, the electrode coated with the catalyst film can be removed from the cell and transferred to another electrochemical cell where the desired chemical reaction takes place. Alternatively, the electrode coated with the catalyst film can be used during or after its formation without changing the solution by incorporating reactants of the desired chemical reaction into the cell with the mediator or film-forming compound. .
[0027]
Electrochemical cells suitable for the preparation of catalyst films can be considered to take many different configurations. In one embodiment, the electrochemical cell includes at least one compartment that includes an anode and a cathode (see FIG. 1). In a preferred embodiment, the electrochemical cell includes at least two compartments including an anode, a cathode and a divider (see FIG. 2). In another embodiment, the electrochemical cell includes at least three compartments including an anode, a cathode, a bipolar membrane, and a divider (see FIG. 3).
[0028]
In general, an electrochemical cell can be composed of a cell material, which is compatible with the material that is filled into the cell. It is essential that this cell material can be particularly resistant to acidic environments and often to basic environments.
[0029]
The cell can be adapted to operate at atmospheric or high pressure. In one embodiment, the cell is capable of operating at a high pressure of at least about 1 psig to about 10 psig or higher. Since the anode and cathode are not directly involved in the reaction, they can also be made from a variety of materials, but this material does not react with the solution added to the cell or the catalyst film formed in the cell.
[0030]
Suitable cathodes include carbon (eg, graphite), stainless steel, glassy carbon, titanium, titanium oxide ceramic, niobium, tungsten carbide, silver, lead, chromium, zinc, mercury, manganese dioxide or platinum. For example, the cathode may include tungsten carbide, activated carbon supported platinum, activated carbon supported silver, activated carbon supported manganese dioxide or platinized titanium. Graphite or carbon felt can be used with the cathode to increase the active surface area of the cathode. An Ebonex® cathode can also be used.
[0031]
In some embodiments, gas is introduced into the electrochemical cell and the cathode becomes a gas diffusion cathode. The gas diffusion cathode can include a conventional cathode structure formed from a suitable porous hydrophobic material such as polytetrafluoroethylene (PTFE), which is mixed with carbon black and an optional catalyst. Commercially available gas diffusion cathodes include ELAT type gas diffusion cathodes (which have a stainless steel mesh current collector integrated with an alloy of PtCo on hydrophobic PTFE containing Vulcan XC-72 carbon) and EFCG type gas diffusion cathodes ( This includes a stainless steel mesh current collector integrated with an alloy of PtCo on a Toray carbon substrate.
[0032]
A variety of materials can be used as the anode in an electrochemical cell. For example, the anode can be made from a metal, such as a coated titanium, tantalum, zirconium, hafnium or alloy thereof. In general, the anode has a non-passivated film and a catalyst film, which are noble metals (eg, platinum, iridium, rhodium, ruthenium or alloys thereof) or noble metals (eg, platinum, iridium, ruthenium, palladium or A mixture of electrically conductive oxides comprising at least one oxide of rhodium) or mixed oxides. In one embodiment, the anode is a dimensionally stable anode (eg, an anode having a titanium base thereon with ruthenium oxide and / or iridium oxide).
[0033]
Most electrochemical cells utilized in making and using the catalyst films of the present invention include at least one divider or separator (eg, an ionic or non-ionic selective membrane). This partition plate and / or bipolar membrane functions as a diffusion barrier and / or a gas separator.
[0034]
In one embodiment, this divider or separator that can be used in the present invention is a wide range of microporous with pores of the desired size that move anions and / or cations of various chemical compounds toward one of the electrodes. May be selected from diffusive diffusion barriers, screens, filters, partitions, and the like. The microporous divider can be prepared from a variety of materials including, for example, plastics such as polyethylene, polypropylene and Teflon, ceramics, and the like. Microporous partition plates (eg, non-ionic partition plates) can be used, for example, in addition to the partition plates listed in the drawings. Specific examples of commercially available microporous separators include: Celanese Celgard and Norton Zitex.
[0035]
In one embodiment, the divider is an anion selective membrane. Any anion selective membrane can be utilized, including a membrane used in a process for desalting brackish water. Preferably, an anion selective membrane should be selected with respect to the particular anion present in the cell (eg nitrate and halide ions). The preparation and structure of anionic membranes is described in Encyclopedia of Chemical Technology, Kirk-Othmer, 3rd edition, volume 15, chapter entitled “Membrane Technology”, pages 92-131, Wiley and Sons, New York, 198. . It is described in. These pages are incorporated herein by reference for disclosure of various anionic membranes that may be useful in the process of the present invention.
[0036]
Anion-selective membranes that can be utilized and are commercially available are: Fluoropolymer-based AMPLOON, Series 310 (produced by American Machine and Foundry Company) substituted with quaternary ammonium groups; Polymer based IONAC MA 3148, MA 3236 and MA 3475 (produced by Ritter-Pfowler Corp., Permutit Division) substituted with quaternary ammonium groups derived from functional polyvinyl chloride; Tosflex IE-SF 34 or IE-SA 48 (made by Tosoh Corp.), which is a membrane designed to be stable in alkaline media; Tokuyama Soda Co. NEOSEEPTA AMH, NEOSEPTTA ACM, NEOSEPTA AFN or NEOSEPTA ACLE-SP from; and Salemion AMV and Salemion AAV from Asahi Glass.
[0037]
In one embodiment, the divider is a cation selective membrane. The cation selective membrane used in the cell and process of the present invention can be any that has been utilized for electrochemical purification or recycling of chemical compounds. Preferably, the cation exchange membrane should comprise a very durable material such as a fluorocarbon series based membrane, or should consist of a cheaper material of the polystyrene or polypropylene series. Preferably, however, cation selective membranes useful in the present invention include cation selective groups such as perfluorosulfonic acid and perfluorosulfonic acid and perfluorocarboxylic acid, perfluorocarbon polymer membranes such as Fluoride membranes, including Dupont's Cationic Nafion 423 and 902 membranes, sold by EI DuPont Nemours & Co. under the generic trademark “Nafion”). Other suitable cation selective membranes include styrene divinylbenzene copolymer membranes containing cation selective groups such as sulfonate groups, carboxylate groups, and the like. Raipore Cation R1010 (from Pall RAI) and NEOSEPTTA CMH and NEOSEPTTA CM1 membranes from Tokuyama Soda are particularly useful for higher molecular compounds. The preparation and structure of cation-selective membranes is described in the chapter entitled “Membrane Technology” in Encyclopedia of Chemical Technology, Kirk-Othmer, 3rd edition, Volume 15, pages 92-131, Wiley and Sons, New Y, 1985. It is described in. These pages are incorporated herein by reference for disclosure of various cation selective membranes that may be useful in the present invention.
[0038]
Bipolar membranes used in electrochemical cells are composite membranes having three parts: a cation selective side or region, an anion selective side or region, and an interface between the two regions. When direct current passes through the bipolar membrane with a cation selective side facing the cathode or facing the cathode, electrical conduction is generated by the dissociation of water that occurs at the interface under the influence of the electric field.+And OH-This is achieved by ion transport. Bipolar membranes are described, for example, in U.S. Pat. Nos. 2,829,095, 4,024,043 (single film bipolar membrane) and 4,116,889 (cast bipolar membrane). . Bipolar membranes useful in the present invention include NEOSEPTA BIPOLAR 1 (by Tokuyama Soda), WSI BIPOLAR, and Aquatics Bipolar membranes.
[0039]
In one embodiment, the electrochemical cell comprises at least one compartment. In a preferred embodiment, the electrochemical cell comprises at least two compartments; a catholyte compartment and an anolyte compartment. In another embodiment, the electrochemical cell comprises at least three compartments; that is, a catholyte compartment, an anolyte compartment and another compartment (eg, a buffer compartment, a pass compartment, Base compartment, acid compartment, etc.). The buffer compartment is typically placed between two bipolar membranes or between a bipolar membrane and an electrode. The pass compartment is typically placed between two cation selective membranes or two anion selective membranes and serves to further purify the final product. The base and acid are typically formed in the base compartment and the acid compartment, respectively.
[0040]
The electrochemical cell catholyte compartment (typically adjacent to the cathode) (or compartment of a one compartment cell) contains a solution of film forming compounds and nitrate ions. An aqueous solution is preferred. In one embodiment, the concentration of the film-forming compound can range from about 1 mM to about 1M. In another embodiment, the concentration of the film-forming compound ranges from about 5 mM to about 500 mM. In yet another embodiment, the concentration of the film-forming compound ranges from about 10 mM to about 100 mM. In one embodiment, the concentration of the nitrate ion source can range from about 0.001M to about 10M. In another embodiment, the nitrate ion source concentration ranges from about 0.01M to about 1M. In yet another embodiment, the nitrate ion source concentration ranges from about 0.1M to about 0.5M.
[0041]
The anolyte compartment of the electrochemical cell (generally adjacent to the anode) and the remaining compartment (if present) contain a solution of ionic compounds (electrolyte solution). An ionic compound is any compound that fully or partially ionizes in solution. Ionic compounds include acids, bases, and salts. An aqueous solution is preferred. The ionic compound in the anolyte compartment may be the same as or different from the ionic compound in any other compartment. Although any suitable ionic compound may be used in the anolyte compartment and other compartments, in a preferred embodiment, the ionic compounds in the anolyte compartment and other compartments are acid or nitrate ions. Is the source. The concentration of the ionic compound in the anolyte compartment and other compartments ranges from about 0.1M to about 10M, and preferably from about 2M to about 6M. The concentration of the ionic compound in the anolyte compartment may be the same as the concentration of the ionic compound in the other compartment, or it may be higher or lower.
[0042]
The current applied between the anode and cathode depends on the number of dividers (if any) placed between the anode and cathode and the concentration of the components. In one embodiment, the current density is from about 1 volt to about 10 volts and from about 2 volts to about 5 volts, each from about 0.01 ASI (ampere per square inch) to about 10 ASI, more often about 1 ASI-5 ASI is applied between the anode and cathode with an apparent current density. The current is applied to the electrochemical cell for a time effective to produce a catalyst film at the desired thickness on the cathode in the catholyte compartment (or compartment of the one compartment cell).
[0043]
The electrochemical cell can be maintained at a temperature suitable for the production of the catalyst film. This temperature typically ranges from about −20 ° C. to about 70 ° C. In another embodiment, the temperature ranges from about 1 ° C to about 30 ° C. The formation of the catalyst film can be monitored visually.
[0044]
Examples of electrochemical cells useful in the present invention are discussed below and are shown in FIGS.
[0045]
Referring to FIG. 1, an electrochemical cell 10 is made from a cathode 11 and an anode 12. The electrochemical cell 10 includes one compartment 13. In the operation of the electrochemical cell illustrated in FIG. 1, the compartment 13 is filled with a solution containing a film-forming compound and a nitrate ion source. A potential is established and maintained between the anode and the cathode to generate a current across the electrochemical cell; a catalyst film is then formed on the cathode 11 in the compartment 13.
[0046]
Referring to FIG. 2, the electrochemical cell 20 is made from a cathode 21, an anode 22, and a partition plate 23. The electrochemical cell 20 comprises two compartments; a catholyte compartment 24 and an anolyte compartment 25. In the operation of the electrochemical cell illustrated in FIG. 2, the catholyte compartment 24 is filled with a solution containing a film-forming compound and a nitrate ion source. The electrolyte solution containing the ionic compound is filled in the anolyte compartment 25. A potential is established and maintained between the anode and the cathode to generate a current across the electrochemical cell. At that time, a catalyst-forming film is produced on the cathode 21 in the catholyte compartment 24.
[0047]
Referring to FIG. 3, an electrochemical cell 30 is made from a cathode 31, an anode 32, and a bipolar membrane 33 and a divider 34 (starting with the cathode 31 in order). The bipolar membrane 33 has an anion selective side (not shown) facing the anode and a cation selective side (not shown) facing the cathode. The electrochemical cell 30 comprises three compartments; a catholyte compartment 35, a central compartment 36, and an anolyte compartment 37. In the operation of the electrochemical cell illustrated in FIG. 3, the catholyte compartment 35 is filled with a solution containing a film-forming compound and a nitrate ion source. The solution containing the ionic compound is filled in the central compartment 36 and the anolyte compartment 37. The ionic compound in the central compartment may be the same as or different from the ionic compound in the anolyte compartment. A potential is established and maintained between the anode and the cathode to generate a current across the electrochemical cell. At that time, the catalyst film is formed on the cathode 31 in the catholyte compartment 35.
[0048]
The following specific examples further illustrate the preparation of catalyst films according to the present invention. Unless otherwise indicated in the Examples and elsewhere in this specification and claims, all percentages or percentages are by weight, temperatures are in degrees Centigrade, and pressures are at or near atmospheric.
[0049]
(Example 1)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of graphite, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM 1,4-phenylenediamine is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 5 Amp (0.3 ASI) and a cell voltage of about 3.5 volts are applied for 6 hours while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A deep orange to brown color film forms uniformly on the cathode.
[0050]
(Example 2)
An electrochemical cell according to FIG. 3 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a stainless steel cathode, a Tokuyama Bipolar 1 bipolar membrane, an Asahi glass AAV anion selective membrane (as a divider). A 0.5 M nitric acid solution is placed in the central compartment. A solution of 0.3M nitric acid is placed in the anolyte compartment. A solution of 1.7 M hydroxylamine nitrate, 0.7 M nitric acid and 50 mM 1,4-phenylenediamine is then placed in the catholyte compartment. A 5 Amp current and a cell voltage of about 9.1 volts are applied for 2 hours while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A deep orange to brown color film forms uniformly on the cathode.
[0051]
(Example 3)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of graphite, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A graphite felt is attached to the graphite cathode to increase the active cathode surface area. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM to 100 mM anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium salt is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. While maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C., a current of 15 Amp (1 ASI) and a cell voltage of about 3.5 volts are applied for 24 hours. The catholyte is stirred while applying an electric current. A deep orange to brown color film forms uniformly on the cathode.
[0052]
Example 4
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of graphite, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A graphite felt is attached to the graphite cathode to increase the active cathode surface area. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM to 400 mM 4,4'-oxydianiline is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. While maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C., a current of 30 Amp (2 ASI) and a cell voltage of about 6 volts are applied for 8 hours. The catholyte is stirred while applying an electric current. A deep orange to brown color film forms uniformly on the cathode.
[0053]
(Example 5)
The general procedure of Example 1 is repeated. However, one graphite felt is attached to the graphite cathode to increase the cathode surface area. A solution containing 0.5 M nitric acid and 50 mM 1,4-phenylenediamine is placed in the catholyte compartment. Concentrated nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. While maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C., a current of 20 amp (5 ASI) and a cell voltage of about 5.5 volts are applied for 16 hours. The catholyte is stirred while applying an electric current. A deep orange to brown color film forms uniformly on the cathode.
[0054]
(Example 6)
The general procedure of Example 1 is repeated. However, a solution containing 1.0 M nitric acid and 70 ppm p-aminophenol is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Concentrated nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. While maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C., a current of 20 amp (5 ASI) and a cell voltage of about 5 volts are applied for 30 hours. The catholyte is stirred while applying an electric current. A deep orange to brown color film forms uniformly on the cathode.
[0055]
(Example 7)
The general procedure of Example 1 is repeated. However, a solution of 1 M nitric acid and 100 ppm hydroquinone is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is added to the anolyte compartment. Concentrated nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. While maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C., a current of 20 amp (5 ASI) and a cell voltage of about 6.5 volts are applied for 1 hour. The catholyte is stirred while applying an electric current. A deep orange to brown color film forms uniformly on the cathode.
[0056]
(Example 8)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of graphite, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1 M sodium nitrate and 50 mM 1,4-phenylenediamine is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the sodium nitrate concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 5 Amp (0.3 ASI) and a cell voltage of about 3.5 volts are applied for 6 hours while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A deep orange to brown color film forms uniformly on the cathode.
[0057]
Example 9
An electrochemical cell according to FIG. 1 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium and a cathode made of graphite. A solution containing 1M tetrabutylammonium nitrate and 50 mM 1,4-phenylenediamine is placed in the compartment. Nitric acid is added to the compartment and the tetrabutylammonium nitrate concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 5 Amp (0.3 ASI) and a cell voltage of about 3.5 volts are applied for 6 hours while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. Stir the compartment while applying current. A deep orange to brown color film forms uniformly on the cathode.
[0058]
The use of this cathode with a catalyst film thereon facilitates the synthesis of various compounds. For example, conversion of nitrogen-containing compounds to hydroxylammonium salts, conversion of hydroxylammonium salts to hydroxylamine, and conversion of acrylonitrile to adiponitrile are facilitated by the catalyst film of the present invention.
[0059]
Generally speaking, an electrochemical cell comprising an electrode having a catalyst film thereon is used to facilitate the synthesis of various compounds. In a preferred embodiment, the electrode is a cathode. The synthesis of various compounds can be performed in an electrochemical cell in which a catalyst film is formed. Alternatively, the electrode on which the catalyst film is formed can be transferred to another electrochemical cell. Some electrochemical cells suitable for the synthesis of certain compounds may comprise an electrode having a catalyst film thereon. For example, the electrochemical cell of FIGS. 2 and 3 is suitable for making hydroxylammonium salts and adiponitrile.
[0060]
The electrochemical cell may be operated batchwise or continuously. Circulation takes place by means of a pump and / or by outgassing. In one embodiment, the concentration of the ionic compound in the catholyte, anolyte, and / or recovery compartment is monitored by monitoring the supply to the compartment (eg, water supply to the anolyte compartment) and By using it, a substantially constant concentration is maintained.
[0061]
In one embodiment of the invention, the catalyst film is used to electrochemically convert nitrogen-containing compounds to hydroxylammonium salts or to convert hydroxylammonium salts to hydroxylamines. In particular, nitrogen-containing compounds are reduced to hydroxylammonium salts in the presence of films formed by film-forming compounds on the cathode. Referring to FIG. 2, a solution containing a nitrogen-containing compound is placed in the catholyte compartment 24. An electrolyte solution containing an ionic compound is placed in the anolyte compartment 25. In a preferred embodiment, the ionic compound is an acid. In this embodiment, the partition plate 23 is preferably a cation selective membrane. In some embodiments, additional dividers can be used in the cell. However, these are generally not necessary. When a potential is achieved and maintained between the anode and the cathode and a current is generated in the electrochemical cell, a hydroxylammonium salt is formed in the catholyte compartment 24. Hydroxyl ammonium salt is recovered from the catholyte compartment 24. The hydroxylammonium salt (or hydroxylamine described below) can be purified by further processing using one or more of distillation, reverse osmosis, electrodialysis and ion exchange methods.
[0062]
Ion exchange techniques using cation exchange resins and anion exchange resins are known to those skilled in the art. Distillation techniques are known to those skilled in the art. For example, the hydroxylammonium salt solution obtained from the catholyte compartment can be further purified using vacuum distillation.
[0063]
Reverse osmosis membranes are available from Fluid Systems, Filmtech, Osmonics, Inc. , Desalination Systems Inc. Etc. are commercially available. A specific example is a Fluid Systems TFCL-HP thin film composite membrane. Reverse osmosis membrane technology is known to those skilled in the art. For example, a hydroxylamine solution obtained from a catholyte compartment containing a hydroxylammonium salt is passed through a reverse osmosis membrane (eg, a polyamide-based membrane) under high pressure (100 psi or more, often 500 psi or more). Some compounds pass through this membrane. However, hydroxylammonium salts do not pass. Reverse osmosis membranes generally allow water and small molecular weight organics (eg, hydroxylamine) to pass through, but not ionic compounds.
[0064]
The hydroxylammonium salt solution obtained from the catholyte compartment can be further purified using electrodialysis in an electrodialysis cell. Electrodialysis techniques are known to those skilled in the art.
[0065]
These additional procedures are effective in removing impurities that may be present in the solution obtained from the compartment. Impurities include undesirable salts, ammonium ions, metals and organics.
[0066]
In embodiments where the hydroxylammonium salt is produced in the catholyte compartment, a current is applied between the anode and the cathode. Its apparent current density is about 0.1 ASI (ampere per square inch) to about 10 ASI at about 3 volts to about 4 volts, more frequently about 2 ASI to 4 ASI. The current is applied to the electrochemical cell for a time effective to produce hydroxylammonium salt in the catholyte compartment.
[0067]
The concentration of the nitrogen-containing compound in the catholyte compartment can be from about 0.01M to about 10M. Preferably, the nitrogen-containing compound concentration is about 0.5M to about 1M. The concentration of the ionic compound in the anolyte compartment can be from about 0.01M to about 5M. Preferably, the acid concentration is about 0.5M to about 1M.
[0068]
Nitrogen-containing compounds are compounds that have at least one nitrogen atom and can be converted to hydroxylammonium salts according to the invention. Examples of nitrogen-containing compounds include nitric acid, alkali metal nitrates (eg, sodium nitrate and potassium nitrate), alkaline earth metal nitrates (eg, magnesium nitrate and calcium nitrate), alkaline nitrites (eg, sodium nitrite and potassium nitrite), Alkaline earth metal nitrites, nitrides (eg, calcium nitride and magnesium nitride), organic nitro compounds (eg, nitromethane, nitroethane, nitropropane, nitrobutane, nitrobenzene, etc.) and nitrogen-containing gases.
[0069]
As used herein, a nitrogen-containing gas includes any gas containing nitrogen atoms. Examples of nitrogen-containing gases include nitrogen oxide gas and nitrogen-hydrogen gas. As used herein, nitrogen oxide gas is intended to mean a gas containing nitrogen and oxygen atoms. Examples of nitrogen oxide gases include one or more of nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO2), Nitric oxide (NO)Three), Dinitrogen trioxide (N2OThree), Dinitrogen pentoxide (N2OFive). Examples of nitrogen-hydrogen gases are ammonia, hydrazine, and derivatives thereof. The nitrogen-containing gas can also be any gas containing at least a nitrogen-containing gas (eg, a mixture of one or more inert gases and nitrogen oxide gases). Inert gases include nitrogen and noble gases. Examples of noble gases are helium, neon, argon, krypton, xenon, and radon.
[0070]
In embodiments in which gas is introduced into the electrochemical cell (eg, a nitrogen-containing gas in the process for making the hydroxylammonium salt), the cathode is a gas diffusion cathode. In these embodiments, the electrochemical cell includes a gas chamber next to the gas diffusion cathode. Nitrogen-containing gas is injected into the gas chamber and then passed through the gas diffusion cathode and into the catholyte compartment. Such methods are described in US Pat. No. 5,447,610 and US application Ser. No. 08 / 734,858. Both of these are incorporated herein by reference. In one embodiment, the cathode can include a material that exhibits electrocatalytic activity for the reduction of nitrogen oxides to hydroxylamine or hydroxylammonium salts.
[0071]
A hydroxylammonium salt that can be produced in an electrochemical cell from a nitrogen-containing compound by the process of the present invention can be represented by the following formula:
(NR2HOH)+ yX-y
Here, each R is independently hydrogen or a hydrocarbon group containing 1 to about 8 carbon atoms, preferably 1 to about 6 carbon atoms. X is an anion of an acid (eg, any of the above acids). And y is a number equal to the valence of X. Specific examples of anions include Cl-, Br-, SOFour -2, HSOFour -, NOThree -, POFour -3, H2POFour -1, HPOFour -2Etc.
[0072]
Specific examples of hydroxylammonium salts that can be prepared according to the present invention may include: hydroxylammonium sulfate, hydroxylammonium nitrate, hydroxylammonium chloride, hydroxylammonium bromide, hydroxylammonium fluoride, hydroxylammonium formate. , Hydroxylammonium acetate, hydroxylammonium phosphate, hydroxylammonium methylsulfonate, hydroxylammonium toluenesulfonate, methylhydroxylammonium nitrate, ethylhydroxylammonium nitrate, propylhydroxylammonium nitrate, isopropylhydroxylammonium nitrate, and diethyl Hydroxylammonium nitrate, phenyl hydroxylammonium nitrate.
[0073]
The concentration of hydroxylammonium salt formed in the catholyte compartment can be from about 0.1M to about 10M. Preferably, the hydroxylammonium salt concentration in the catholyte compartment is from about 0.5M to about 2M.
[0074]
In one embodiment, the ionic compound is an acid and the acid solution is an acidic electrolyte. The acid lowers the pH of the neutral solution. The acid includes an organic acid and an inorganic acid. Preferably the acid is not reactive at the cathode.
[0075]
Formula H, which can be used with nitrogen-containing compounds in acidic electrolytesYSpecific examples of the inorganic acid represented by X include at least one nitric acid, halogen acid (for example, hydrofluoric acid, hydrochloric acid, hydrobromic acid, and hydroiodic acid), sulfuric acid, sulfurous acid, perchloric acid, boron. Acids, and phosphorus-containing acids such as phosphoric acid and phosphorous acid. Nitric acid and sulfuric acid are preferred inorganic acids. Nitric acid and any other acid is a preferred acid combination. Formula HYExamples of the organic acid represented by X include carboxylic acid and polycarboxylic acid. For example, formic acid, acetic acid, propionic acid, citric acid, oxalic acid, etc .; organic phosphorus-containing acids (eg, dimethylphosphoric acid and dimethylphosphinic acid); or sulfonic acids (eg, methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, 1-pentanesulfone) Acid, 1-hexanesulfonic acid, 1-heptanesulfonic acid, benzenesulfonic acid, toluenesulfonic acid). Nitric acid and any other acid is a preferred combination of acids.
[0076]
In one embodiment, the ionic compound is a base and the base solution is a basic electrolyte. The base increases the pH of the neutral solution. The base includes an organic base and an inorganic base.
[0077]
Bases include alkali metal and alkaline earth metal hydroxides, silicates, phosphates, borates, carbonates, and mixtures thereof. For example, basic compounds include alkali metal hydroxides, alkaline earth metal hydroxides, alkali metal silicates, and the like. Alkali metals include lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium. Alkaline earth metals include beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium. Specific bases are: sodium tetraborate, sodium carbonate, sodium bicarbonate, sodium hydroxide, sodium phosphate, sodium pyrophosphate and other polyphosphates, sodium silicate, potassium carbonate, potassium bicarbonate, Potassium hydroxide, potassium phosphate, potassium pyrophosphate and other polyphosphates, calcium carbonate, calcium hydroxide, calcium phosphate, calcium pyrophosphate, calcium silicate, magnesium carbonate, magnesium hydroxide, magnesium phosphate, magnesium pyrophosphate, and Magnesium silicate.
[0078]
Examples of electrochemical cells useful in the present invention are discussed below and are shown in FIGS. 1, 2, 3, 4, 5 and 6.
[0079]
As required, various compounds (eg, one or more acids, water, one or more ionic compounds, nitrogen-containing compounds, stabilizers, hydrogen inhibitors, etc.) can be added to the electrochemical cell. Can be added to or recovered from the catholyte compartment, anolyte compartment, and other compartments to maintain efficient operation of . For example, nitrogen-containing compounds must be added continuously or intermittently to the catholyte compartment. In some cases, it may be necessary to remove acid from the anolyte compartment intermittently or continuously.
[0080]
In one embodiment, the solution placed in the compartment in which the hydroxylammonium salt (or adiponitrile described below) is produced can also optionally include a hydrogen inhibitor. Examples of hydrogen inhibitors include thio compounds (eg, thiourea) and quaternary ammonium salts (eg, quaternary alkyl ammonium chlorides, nitrates, sulfates, bromides, phosphates, carbonates and bicarbonates). Can be mentioned. Specific examples of quaternary alkylammonium ions include: quaternary methylammonium, quaternary ethylammonium, quaternary propylammonium, quaternary butylammonium, dimethyldiethylammonium, methyltriethylammonium. Such. In one embodiment, the amount of hydrogen inhibitor in the solution can range from about 0.001% to about 10% by weight of the solution. In another embodiment, the amount of hydrogen inhibitor in the solution can range from about 0.01% to about 1% by weight of the solution.
[0081]
In another embodiment, the solution placed in the compartment in which the hydroxylammonium salt is produced can also optionally include a stabilizer. In some examples, the stabilizer inhibits the degradation of hydroxylammonium salt. Examples of stabilizers include: quinoline derivatives, thiocarboxylic acids, thiosulfates, hydroxyanthraquinones, and the like. Specific examples include 8-hydroxyquinoline, morin hydrate and quercetin. The amount of stabilizer in the solution is about 5 × 10 6 based on the weight of electrolyte present.-FourIt can range from wt% to about 1 wt%.
[0082]
In one particular embodiment, where the hydroxylammonium salt is produced (starting with a solution containing a nitrogen-containing compound and an electrode having a mediator or mediator-forming film thereon), the electrochemical cell comprises an anode, a cathode, and A partition plate is included (see FIG. 2). In this embodiment, the divider plate is preferably a cation selective membrane. In some embodiments, additional dividers can be used in the cell. However, in general, these are not necessary.
[0083]
In one particular embodiment where hydroxylamine is produced (starting with a solution containing hydroxylammonium salt and an electrode having a mediator or mediator-forming film thereon), the electrochemical cell comprises an anode, a cathode, a bipolar membrane And a partition plate (see FIG. 3). In this embodiment, the divider plate is preferably an anion selective membrane. In some embodiments, additional dividers can be used in the cell. However, in general, these are not necessary.
[0084]
For example, in another specific embodiment where hydroxylamine is produced (starting with a solution containing hydroxylammonium salt and an electrode having a mediator or catalyst film thereon), the electrochemical cell comprises an anode, cathode, bipolar Includes a membrane and two dividers (see FIG. 4). In this embodiment, the two dividers comprise an anode next anion selective membrane and a bipolar membrane next cation selective membrane.
[0085]
In one particular embodiment where hydroxylamine is produced (starting with a solution containing hydroxylammonium salt and an electrode having a mediator or mediator-forming film thereon), the electrochemical cell comprises an anode, a cathode, and a partition Including a plate (see FIG. 5). In this embodiment, the divider plate is preferably an anion selective membrane and the cathode is preferably a gas diffusion cathode.
[0086]
In certain embodiments where both hydroxylammonium salt and hydroxylamine are produced in a single cell, the electrochemical cell comprises an anode, a cathode, a bipolar membrane, and a divider (see FIG. 6). In this embodiment, the divider plate is preferably an anion selective membrane.
[0087]
Thus, methods for producing hydroxylammonium salts from nitrogen-containing compounds involve the use of one electrochemical cell, while methods for producing hydroxylamines from nitrogen-containing compounds via hydroxylammonium salts include one or at least two Including the use of electrochemical cells. In an embodiment that uses two electrochemical cells to produce hydroxylamine, the hydroxylammonium salt is produced in a first electrochemical cell (eg, the cell of FIG. 2) and the hydroxylamine is produced in the second Manufactured in an electrochemical cell (eg, the cell of FIGS. 3, 4 or 5).
[0088]
In embodiments in which only hydroxylammonium salts are produced, hydroxylammonium salts and hydroxylamine are produced, or using cells that are the same or similar to the electrochemical cells of FIGS. 2 and 3, the catholyte compartment is Contains nitrogen-containing compound and mediator solution and optionally an acid. In embodiments where the cathode of the electrochemical cell has a film formed with a mediator thereon, the catholyte compartment contains a solution of a nitrogen-containing compound and optionally an acid (the mediator is excluded because it is a film). obtain). The choice of acid is determined by the particular hydroxylammonium salt desired to be produced. The acid may contain the desired hydroxyl ammonium salt anion. The concentration of the nitrogen-containing compound can be about 0.01M to 10M. Preferably, the concentration of the nitrogen-containing compound is about 0.5M to about 1M. The concentration of the mediator, when present, can be from about 1 mM to about 1M. Preferably, the mediator concentration, if present, is from about 10 mM to about 100 mM. The acid concentration can be from about 0.01M to about 5M. Preferably, the acid concentration is about 0.5M to about 1M.
[0089]
In embodiments that are intended to produce only hydroxylamine or that use the same or similar cell as the electrochemical cell of FIG. 3 or 4, the catholyte compartment is a solution of an ionic compound (electrolyte solution). including. Although any ionic compound may be used in the catholyte compartment, in a preferred embodiment, the ionic compound in the catholyte compartment is a base. In these embodiments, the concentration of the ionic compound in the catholyte compartment is from about 0.01M to about 10M, and preferably from about 0.1M to about 1M. The concentration of ionic compounds in the catholyte compartment can be the same, higher or lower than the concentration of ionic compounds in the other compartments present.
[0090]
In embodiments that are intended to produce only hydroxylamine or use cells that are the same or similar to the electrochemical cell of FIG. 5, the catholyte compartment contains a solution of hydroxylammonium salt and mediator. Others that are intended to produce only hydroxylamine or that use a cell that is the same or similar to the electrochemical cell of FIG. 5 and that has a film on which the cathode of the electrochemical cell is formed with a mediator In this embodiment, the catholyte compartment contains a solution of hydroxylammonium salt. The concentration of hydroxylammonium salt can be about 0.1M to 10M. Preferably, the concentration of hydroxylammonium salt concentration is from about 0.5M to about 2M. The concentration of the mediator, when present, can be from about 1 mM to about 1M. Preferably, the mediator concentration, if present, is from about 10 mM to about 100 mM.
[0091]
The collection compartment of the electrochemical cell (generally next to the intermediate compartment and / or the bipolar membrane) initially contains a solution containing an ionic compound as required. The ionic compounds in the recovery compartment can be the same or different from the ionic compounds in the other compartments present. The concentration of the ionic compound in the recovery compartment is about 0.01M to 10M, and preferably about 0.1M to about 0.5M. The concentration of the ionic compound in the recovery compartment can be the same, higher or lower than the concentration of the ionic compound in the other compartment. In some embodiments (see, eg, FIG. 3), this collection compartment is charged with a solution of hydroxylammonium salt and mediator (if there is no film formed of mediator on the cathode). The concentration of hydroxylammonium salt can be about 0.1M to 10M. Preferably, the hydroxylammonium salt concentration is about 0.5M to about 2M. The concentration of the mediator, when present, can be from about 1 mM to about 1M. Preferably, the mediator concentration, if present, is from about 10 mM to about 100 mM. In the embodiment of FIG. 4, this feed compartment (typically an intermediate compartment), if present, is charged with a solution of hydroxylammonium salt and mediator (same concentration as above), and the recovery compartment is optional. A solution having the following ionic compound.
[0092]
The concentration of hydroxylammonium salt produced in the catholyte compartment is about 0.1M to 10M, and preferably about 0.5M to about 2M. A portion of the hydroxylammonium salt produced in the catholyte compartment is then either recovered or physically transferred to another electrochemical cell or the recovery compartment of the same cell (See, for example, FIG. 6). This can be accomplished on a basis either intermittently or continuously by means known to those skilled in the art. The concentration of hydroxylamine produced in the recovery compartment is from about 0.1M to about 16M, and preferably from about 2M to about 5M.
[0093]
Referring to FIG. 6, an electrochemical cell 60 is made with an array of bipolar membranes 63 and dividers 64 starting with a cathode 61, an anode 62, and a cathode 61. In a preferred embodiment, the partition plate 64 is an anion selective membrane. The bipolar membrane 63 has an anion selective side (not shown) facing the anode and a cation selective side (not shown) facing the cathode. The electrochemical cell 60 comprises three compartments; a catholyte compartment 65, a recovery compartment 66 and an anolyte compartment 67.
[0094]
In the operation of the electrochemical cell shown in FIG. 6, a solution containing a nitrogen-containing compound and a mediator is charged to the catholyte compartment 65. The electrolyte solution containing the ionic compound is charged into the recovery compartment 66 and the anolyte compartment 67. The ionic compound has a first concentration in the recovery compartment and a second concentration in the anolyte compartment 67. A potential is established and maintained between the anode and cathode to generate a current across the electrochemical cell, resulting in the production of hydroxylammonium salt in the catholyte compartment 65. Whether a portion of the catholyte solution containing the hydroxylammonium salt is recovered or physically removed from the catholyte compartment 65 and transferred to the recovery compartment 66 as indicated by line 68 Either. As a result of the potential maintained between the anode and cathode, the salt (anion) of the hydroxylammonium salt is attracted towards the anode 62, thereby passing through the partition plate 64 to the anolyte compartment 67. enter. Hydroxylamine is produced in the recovery compartment 66. Hydroxylamine is then produced in the recovery compartment 66. The hydroxylamine is then recovered from the recovery compartment 66. Hydroxylamine and / or hydroxylammonium salt (before being charged to the recovery compartment) can be purified by further processing using one or more distillations, reverse osmotic pressure, electrodialysis and ion exchange techniques.
[0095]
In a preferred embodiment, a portion of the solution in the anolyte compartment can be physically removed and transferred to the catholyte compartment 65 as indicated by line 69. In a still further preferred embodiment, the acid solution obtained from this anolyte compartment is concentrated before being added to the catholyte compartment. As a salt, the anion from the hydroxylammonium salt passes through the partition plate 64 and moves to the anolyte compartment 67, and an acid corresponding to this salt is produced in the anolyte compartment.
[0096]
Various compounds (eg, one or more acids, water, one or more ionic compounds, nitrogen-containing compounds, mediators, stabilizers, etc.) to maintain efficient operation of the electrochemical cell as required. Can be added or recovered from the catholyte compartment, the recovery compartment and the anolyte compartment. For example, nitrogen-containing compounds must be added continuously or intermittently to the catholyte compartment. Sometimes it may also be necessary to remove acid from the anolyte compartment intermittently or continuously.
[0097]
Although the embodiment described in FIG. 6 illustrates the formation of a general hydroxylammonium salt, the described electrochemical cell and method employs a number of desired unique hydroxyls by utilizing the different acids described above. It can be utilized to prepare ammonium salts. Therefore, hydroxylammonium chloride salt can be prepared by utilizing a hydrochloric acid solution, hydroxylammonium sulfate can be prepared by utilizing a sulfuric acid solution, and hydroxylammonium nitrate can be prepared by utilizing a nitric acid solution. Hydroxyl ammonium borate can be prepared by utilizing boric acid and formate and acetate can be prepared by utilizing formic acid and acetic acid.
[0098]
Referring to FIG. 2, the electrochemical cell 20 is made from a cathode 21, an anode 22, and a partition plate 23. In a preferred embodiment, the partition plate 23 is a cation selective membrane. The electrochemical cell 20 comprises two compartments; a catholyte compartment 24 and an anolyte compartment 25.
[0099]
In the operation of the electrochemical cell illustrated in FIG. 2, a solution containing a nitrogen-containing compound and a mediator is charged to the catholyte compartment 24. The anolyte compartment 25 is charged with an electrolyte solution containing an ionic compound. In a preferred embodiment, the ionic compound is an acid. A potential is established and maintained between the anode and cathode to generate a current across the electrochemical cell, resulting in the production of hydroxylammonium salt in the catholyte compartment 24. Hydroxyl ammonium salt is recovered from the catholyte compartment 24. The hydroxylammonium salt can be purified by further processing using one or more distillation, reverse osmotic pressure, electrodialysis and ion exchange techniques.
[0100]
Referring to FIG. 3, the electrochemical cell 30 is made with a cathode 31, an anode 32, and an array of bipolar membranes 33 and dividers 34 starting with the cathode 31. In a preferred embodiment, the partition plate 34 is an anion selective membrane. The bipolar membrane 33 has an anion selective side (not shown) facing the anode and a cation selective side (not shown) facing the cathode. The electrochemical cell 30 comprises three compartments; a catholyte compartment 35, a recovery compartment 36 and an anolyte compartment 37.
[0101]
In the operation of the electrochemical cell shown in FIG. 3, a solution containing hydroxylammonium salt and mediator is charged into the recovery compartment 36. The catholyte compartment 35 and the anolyte compartment 37 are charged with a solution containing an ionic compound. The ionic compound in the catholyte compartment is the same as or different from the ionic compound in the anolyte compartment. In a preferred embodiment, the ionic compound in the catholyte compartment is a base while the ionic compound in the anolyte compartment is an acid. A potential is established and maintained between the anode and cathode to generate an electric current across the electrochemical cell, resulting in the production of hydroxylamine in the recovery compartment 36. As a result of the potential maintained between the anode and cathode, the salt (anion) of the hydroxylammonium salt is attracted towards the anode 32, thereby passing through the divider 34 to the anolyte compartment 37. enter. Next, hydroxylamine is recovered from the recovery compartment 36. Hydroxylamine can be purified by further processing using one or more distillations, reverse osmotic pressure, electrodialysis and ion exchange techniques.
[0102]
Referring to FIG. 4, an electrochemical cell 40 is made with a cathode 41, an anode 42, and an array of a bipolar membrane 43, a first divider 44 and a second divider 45 starting with the cathode 41. In a preferred embodiment, the first divider 44 is a cation selective membrane and the second divider is an anion selective membrane. The bipolar membrane 43 has an anion selective side (not shown) facing the anode and a cation selective side (not shown) facing the cathode. The electrochemical cell 40 comprises four compartments; a catholyte compartment 46, a recovery compartment 47, a supply compartment 48 and an anolyte compartment 49.
[0103]
In the operation of the electrochemical cell shown in FIG. 4, a solution containing hydroxylammonium salt and mediator is charged to the supply compartment 48. The solution containing the ionic compound is charged into the catholyte compartment 35 and the anolyte compartment 37. A solution containing an ionic compound is charged into the collection compartment 47 as necessary. The ionic compound in the catholyte compartment is the same as or different from the ionic compound in the anolyte compartment (and / or the recovery compartment). In a preferred embodiment, the ionic compound in the catholyte compartment is a base while the ionic compound in the anolyte compartment is an acid. A potential is established and maintained between the anode and cathode to generate an electric current across the electrochemical cell, resulting in the production of hydroxylamine in the recovery compartment 47. As a result of the potential maintained between the anode and cathode, the salt (anion) of the hydroxylammonium salt is attracted towards the anode 42 and thereby passes through the second divider 45 to the anolyte compartment. Enter 49. Next, hydroxylamine is recovered from the recovery compartment 47. Hydroxylamine can be purified by further processing using one or more distillations, reverse osmotic pressure, electrodialysis and ion exchange techniques.
[0104]
Referring to FIG. 5, the electrochemical cell 50 is made from a cathode 51, an anode 52 and a partition plate 53. In a preferred embodiment, divider 53 is an anion selective membrane and the cathode is a gas diffusion cathode. Electrochemical cell 50 comprises two compartments; a catholyte compartment 54 and an anolyte compartment 55.
[0105]
In operation of the electrochemical cell shown in FIG. 5, a solution containing hydroxylammonium salt and mediator is charged to the catholyte compartment 54. The solution containing the ionic compound is charged into the anolyte compartment 55. In a preferred embodiment, the ionic compound in the anolyte compartment is an acid. A potential is established and maintained between the anode and cathode to generate a current across the electrochemical cell, which results in the production of hydroxylamine in the catholyte compartment 54. As a result of the potential maintained between the anode and cathode, the salt (anion) of the hydroxylammonium salt is attracted towards the anode 52, thereby passing through the partition plate 53 to the anolyte compartment 55. enter. Hydroxylamine is then recovered from the catholyte compartment 54. Hydroxylamine can be purified by further processing using one or more distillations, reverse osmotic pressure, electrodialysis and ion exchange techniques.
[0106]
In another embodiment of the invention, a catalyst film is used to electrochemically convert acrylonitrile to adiponitrile. Specifically, acrylonitrile is converted to adiponitrile in the presence of a film formed by a film-forming compound on the cathode. Referring to FIG. 2, the catholyte compartment 24 is charged with a solution containing acrylonitrile. The anolyte compartment 25 is charged with an electrolyte solution containing an ionic compound. In a preferred embodiment, the ionic compound is an acid. In this embodiment, the partition plate 23 is preferably a cation selective membrane. In some embodiments, additional dividers may be used in the cell, but they are generally not required. A potential is established and maintained between the anode and the cathode to generate a current across the electrochemical cell, resulting in the production of adiponitrile in the catholyte compartment 24. Adiponitrile is recovered from the catholyte compartment 24. Adiponitrile can be purified by further processing using one or more distillations, reverse osmotic pressure, electrodialysis and ion exchange techniques.
[0107]
In embodiments in which adiponitrile is produced in the catholyte, an apparent current between the anode and cathode of about 0.1 ASI (amps per square inch) to about 10 ASI, more often about 2 ASI to 4 ASI. The current density is applied from about 3 volts to about 4 volts. An electric current is applied to the electrochemical cell for a time effective to produce adiponitrile in the catholyte compartment.
[0108]
The concentration of acrylonitrile in the catholyte compartment can be from about 0.01M to about 10M. Preferably, the acrylonitrile concentration is from about 0.5M to about 1M. The concentration of the ionic compound in the anolyte compartment can be from about 0.01M to about 5M. Preferably, the concentration of the ionic compound is from about 0.5M to about 1M. The ionic compound is as described above.
[0109]
The concentration of adiponitrile formed in the catholyte compartment can be about 0.1M to 10M. Preferably, the concentration of adiponitrile formed in the catholyte compartment is from about 0.5M to about 2M.
[0110]
The following detailed examples further illustrate the preparation of hydroxylammonium salts and hydroxylamines according to the present invention. Unless otherwise indicated in the examples and elsewhere in the specification and claims, all parts and percentages are parts by weight and percentages by weight, temperatures are in degrees Centigrade, and pressures are at standard atmospheric pressure. Or near standard atmospheric pressure.
[0111]
(Example 10)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 1, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1M nitric acid is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 5 Amp (0.3 ASI) and a cell voltage of about 3.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.8 M nitric acid and 1.3 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 60% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0112]
(Example 11)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 3, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1M nitric acid is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 15 Amp (1 ASI) and a cell voltage of about 3.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 1.1M hydroxylammonium nitrate and 0.9M nitric acid and 0.05M ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 35% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0113]
Example 12
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 4, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1M nitric acid is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 30 Amp (2 ASI) and a cell voltage of about 6 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.8M nitric acid and 1.9M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 60% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0114]
(Example 13)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 4, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1M nitric acid is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 15 Amp (1 ASI) and a cell voltage of about 4.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 1.2M hydroxylammonium nitrate and 1.2M nitric acid and 0.1M ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 40% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0115]
(Example 14)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of niobium, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM 1,4-phenylenediamine is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 5 Amp (0.3 ASI) and a cell voltage of about 3 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A film forms on the cathode after about 1 hour. A solution of 0.8M hydroxylammonium nitrate and 0.9M nitric acid and 0.03M ammonium nitrate is then obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 45% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0116]
(Example 15)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 5, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 0.5M nitric acid is placed in the catholyte compartment. Concentrated nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 20 Amp (5 ASI) and a cell voltage of about 5.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.50 M nitric acid and 1.67 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 85% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0117]
(Example 16)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 6, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1.0 M nitric acid is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Concentrated nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 20 Amp (5 ASI) and a cell voltage of about 5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. A solution of 0.7 M nitric acid and 1.26 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 74% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0118]
(Example 17)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 7, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution of 1M nitric acid is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Concentrated nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 20 Amp (5 ASI) and a cell voltage of about 6.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. A solution of 0.8 M nitric acid and 1.3 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 60% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0119]
(Example 18)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 1, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution of 1M hydrochloric acid and 1M nitrobenzene is placed in the catholyte compartment of the cell. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. While maintaining the temperature between 25 ° C. and 30 ° C., a current of 10 amp (2.5 ASI) and a cell voltage of about 5.5 volts are applied. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.9M phenylhydroxylammonium chloride is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 55% is achieved for the formation of phenylhydroxylammonium chloride.
[0120]
(Example 19)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 1, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. The general procedure of Example 10 is repeated. However, thiourea is also added into the catholyte compartment. A solution of 1 M nitric acid and 250 mM thiourea is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. While maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C., a current of 45 amp (3 ASI) and a cell voltage of about 6.5 volts are applied. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.5 M nitric acid and 1.77 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 90% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0121]
(Example 20)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 1, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. The general procedure of Example 10 is repeated. However, tetrabutylammonium chloride is added into the catholyte compartment. A solution of 1M nitric acid and 0.1M tetrabutylammonium chloride is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. While maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C., a current of 45 amp (3 ASI) and a cell voltage of about 6.5 volts are applied. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.7 M nitric acid and 1.65 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 85% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0122]
(Example 21)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 1, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. The general procedure of Example 10 is repeated. However, a solution containing 1M nitrobenzene is also added into the catholyte compartment of the cell. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. While maintaining the temperature between 25 ° C. and 30 ° C., a current of 10 amp (2.5 ASI) and a cell voltage of about 5.5 volts are applied. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.9M phenylhydroxylammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 55% is achieved for the formation of phenylhydroxylammonium nitrate.
[0123]
(Example 22)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made according to Example 3, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. The general procedure of Example 10 is repeated. However, 1.5M acrylonitrile and 0.2M tetraethylammonium p-toluenesulfonate are added into the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. A current of 12 amp (3 ASI) and a cell voltage of about 4.50 volts are applied while maintaining the temperature between 25 ° C. and 30 ° C. A solution of 0.45 M adiponitrile is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 95% is achieved for the formation of adiponitrile.
[0124]
(Example 23)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of graphite, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM 1,4-phenylenediamine is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 5 Amp (0.3 ASI) and a cell voltage of about 3.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.8 M nitric acid and 1.3 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 60% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0125]
(Example 24)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of graphite, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A graphite felt is attached to the graphite cathode to increase the active cathode surface area. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM 1,4-phenylenediamine is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. While maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C., a current of 45 Amp (3 ASI) and a cell voltage of about 6.5 volts are applied. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.6 M nitric acid and 1.7 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 75% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0126]
(Example 25)
An electrochemical cell according to FIG. 3 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a stainless steel cathode, a Tokuyama Bipolar 1 bipolar membrane, an Asahi glass AAV anion selective membrane (as a divider). A solution of 0.5M sodium hydroxide is placed in the catholyte compartment. A solution of 0.3M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Then 1.7 M hydroxylamine nitrate, 0.7 M nitric acid and 50 mM 1,4-phenylenediamine are placed in the recovery compartment. A 5 Amp current and a cell voltage of about 9.1 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. A solution containing 1.6 M hydroxylamine and 50 mM 1,4-phenylenediamine is collected from the collection compartment. Pure hydroxylamine is obtained after purification by distillation.
[0127]
(Example 26)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of graphite, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A graphite felt is attached to the graphite cathode to increase the active cathode surface area. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM to 100 mM anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium salt is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 15 Amp (1 ASI) and a cell voltage of about 3.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 1.1M hydroxylammonium nitrate and 0.9M nitric acid and 0.05M ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 35% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0128]
(Example 27)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of graphite, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A graphite felt is attached to the graphite cathode to increase the active cathode surface area. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM to 400 mM 4,4'-oxydianiline is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 30 Amp (2 ASI) and a cell voltage of about 6 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.8M nitric acid and 1.9M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 60% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0129]
(Example 28)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of graphite, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. Carbon felt is attached to the graphite cathode to increase the active cathode surface area. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM to 0.1 M tin chloride is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 15 Amp (1 ASI) and a cell voltage of about 4.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 1.2M hydroxylammonium nitrate and 1.2M nitric acid and 0.1M ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 40% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0130]
(Example 29)
An electrochemical cell according to FIG. 2 is provided. This includes an anode made of ruthenium oxide coated titanium, a cathode made of niobium, and a Nafion 423 cation selective membrane as a divider. A solution containing 1 M nitric acid and 50 mM 1,4-phenylenediamine is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 5 Amp (0.3 ASI) and a cell voltage of about 3 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.8M hydroxylammonium nitrate and 0.9M nitric acid and 0.03M ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 45% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0131]
(Example 30)
The general procedure of Example 23 is repeated. However, one graphite felt is attached to the graphite cathode to increase the cathode surface area. A solution containing 0.5 M nitric acid and 50 mM 1,4-phenylenediamine is placed in the catholyte compartment. Concentrated nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 20 amp (5 ASI) and a cell voltage of about 5.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.50 M nitric acid and 1.67 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 85% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0132]
(Example 31)
The general procedure of Example 30 is repeated. However, a solution containing 1.0 M nitric acid and 70 ppm p-aminophenol is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Concentrated nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 20 amp (5 ASI) and a cell voltage of about 5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. A solution of 0.7 M nitric acid and 1.26 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 74% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0133]
(Example 32)
The general procedure of Example 30 is repeated. However, a solution of 1 M nitric acid and 100 ppm hydroquinone is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is added to the anolyte compartment. Concentrated nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 20 amp (5 ASI) and a cell voltage of about 6.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. A solution of 0.8 M nitric acid and 1.3 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 60% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0134]
(Example 33)
The general procedure of Example 30 is repeated. However, thiourea is also added to the catholyte compartment. A solution of 1M nitric acid, 50 mM 1,4-phenylenediamine and 250 mM thiourea is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. A current of 45 amp (3 ASI) and a cell voltage of about 6.5 volts are applied while maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.5 M nitric acid and 1.77 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 90% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0135]
(Example 34)
The general procedure of Example 30 is repeated. However, tetrabutylammonium chloride is added to the catholyte compartment. A solution of 1M nitric acid, 50 mM 1,4-phenylenediamine and 0.1M tetrabutylammonium chloride is placed in the catholyte compartment. A solution of 4M nitric acid is placed in the anolyte compartment. Nitric acid is added to the catholyte compartment and the nitric acid concentration is maintained between 0.5M and 1M while applying current. While maintaining the temperature between 5 ° C. and 10 ° C., a current of 45 amp (3 ASI) and a cell voltage of about 6.5 volts are applied. The catholyte is stirred while applying an electric current. A solution of 0.7 M nitric acid and 1.65 M hydroxylammonium nitrate without detectable ammonium nitrate is obtained from the catholyte compartment. An overall current efficiency of 85% is achieved for the formation of hydroxylammonium nitrate.
[0136]
The present invention provides an efficient, low-cost, and uncomplicated electrochemical process for the preparation of high purity hydroxylammonium salts, hydroxylamine and adiponitrile. Since the use of mercury-containing and / or lead-containing cathodes is not required, the present invention does not cause toxicity concerns and is environmentally friendly. In some embodiments, since the use of a gas permeable cathode is not required, the present invention is simple to implement at a relatively low cost.
[0137]
The description has been made in connection with a preferred embodiment of the present invention. However, it should be understood that various modifications thereof will be apparent to those skilled in the art upon reading this specification. Accordingly, it is to be understood that the invention disclosed herein is intended to include such modifications within the scope of the appended claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell useful in the preparation of a catalyst film according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell useful in the preparation of a catalyst film according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell useful in preparing a catalyst film according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell useful in the preparation of hydroxyammonium salts and hydroxylamine according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell useful in the preparation of hydroxyammonium salts and hydroxylamines according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an electrochemical cell useful in the preparation of hydroxyammonium salts and hydroxylamines according to the present invention.

Claims (16)

触媒フィルムであって、2つの電極およびフィルム形成性化合物ならびに硝酸イオン供給源を含む溶液を備えた電気化学的セルに電流を印加することにより作製される、触媒フィルム。  A catalyst film made by applying an electric current to an electrochemical cell comprising a solution comprising two electrodes and a film-forming compound and a nitrate ion source. 前記電気化学的セルが、アノードとカソードとの間に仕切板を備える、請求項1に記載の触媒フィルム。  The catalyst film of claim 1, wherein the electrochemical cell comprises a partition plate between the anode and the cathode. 前記フィルム形成性化合物が、アミノ−芳香族化合物およびキノン化合物の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の触媒フィルム。  The catalyst film of claim 1, wherein the film-forming compound comprises at least one of an amino-aromatic compound and a quinone compound. 前記フィルム形成性化合物が、1,4−フェニレンジアミン;1,3−フェニレンジアミン;テトラシアノキノジメタン;N,N,N’, N’−テトラメチル−p−フェニレンジアミン;p−アミノフェノール;m−アミノフェノール;o−アミノフェノール;アミノチオフェノール;テトラチアフルバレン;チアントレン;トリ−N−p−トリルアミン(tri−N−p−tolyamine);フェロセン;メチルビオロゲンジクロライド水和物;ヒドロ キノン;アミノアントラキノン;アミノアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウム塩;アントラキノン−1,5−ジスルホン酸2ナトリウム塩;アントラキノン−2,6−ジスルホン酸2ナトリウム塩;アセトアニリド、4−ブロモ−2,3,5,6−テトラフルオロアニリン、4,4’−オキシジアニリン;4’−ア ミノアセトアニリド;1,10−フェナントロリン;フェナジン;1,8−ジアミノナフタレン;1,4−ジアセチルベンゼン;テレフタルジカルボキシアルデヒド;テレフタル酸;および2,5−ジクロロ−1,4−フェニレンジアミンの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の触媒フィルム。  The film-forming compound is 1,4-phenylenediamine; 1,3-phenylenediamine; tetracyanoquinodimethane; N, N, N ′, N′-tetramethyl-p-phenylenediamine; p-aminophenol; m-aminophenol; o-aminophenol; aminothiophenol; tetrathiafulvalene; thianthrene; tri-Np-tolyamine; ferrocene; methyl viologen dichloride hydrate; hydroquinone; amino Anthraquinone; aminoanthraquinone-2-sulfonic acid sodium salt; anthraquinone-1,5-disulfonic acid disodium salt; anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium salt; acetanilide, 4-bromo-2,3,5,6- Tetrafluoroaniline, 4,4'-oxydianiline; 4'-aminoacetanilide; 1,10-phenanthroline; phenazine; 1,8-diaminonaphthalene; 1,4-diacetylbenzene; terephthaldicarboxaldehyde; terephthalic acid; The catalyst film according to claim 1, comprising at least one of dichloro-1,4-phenylenediamine. 前記硝酸イオン供給源が、硝酸、アルカリ金属硝酸塩、アルカリ土類金属硝酸塩、遷移金属硝酸塩、硝酸アンモニウム、第四級アンモニウム 硝酸塩、第四級ホスホニウム硝酸塩、および第三級スルホニウム硝酸塩の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の触媒フィルム。  The nitrate ion source comprises at least one of nitric acid, alkali metal nitrate, alkaline earth metal nitrate, transition metal nitrate, ammonium nitrate, quaternary ammonium nitrate, quaternary phosphonium nitrate, and tertiary sulfonium nitrate. The catalyst film according to claim 1. 前記触媒フィルムが、約0.1nm〜約500μmの厚さを有する、請求項1に記載の触媒フィルム。  The catalyst film of claim 1, wherein the catalyst film has a thickness of about 0.1 nm to about 500 μm. 触媒フィルムを作製する方法であって:
アノード、カソード、ならびにフィルム形成性化合物および硝酸イオン供給源を含む溶液を備えた電気化学的セルに電流を印加し、それによって該触媒フィルムを形成する工程、を包含する方法。
A method of making a catalyst film comprising:
Applying an electric current to an electrochemical cell comprising an anode, a cathode, and a solution comprising a film-forming compound and a source of nitrate ions, thereby forming the catalyst film.
前記触媒フィルムが、前記カソード上に形成される、請求項7に記載の方法。  The method of claim 7, wherein the catalyst film is formed on the cathode. 前記溶液が、約−20℃〜約70℃の温度を有し、そして前記電流が、約1ボルト〜約10ボルトで、約0.1ASI〜約10ASIのみかけ電流密度を有する、請求項7に記載の方法。  8. The solution of claim 7, wherein the solution has a temperature of about -20C to about 70C and the current is about 1 A to about 10 V and has an apparent current density of about 0.1 ASI to about 10 ASI. The method described. 前記溶液が、約1mM〜約1Mの前記フィルム形成性化合物および約0.01M〜約1Mの前記硝酸イオン供給源、ならびに約1mM〜約1Mの前記フィルム形成性化合物および約0.1M〜約0.5Mの前記硝酸イオン供給源を含む、請求項7に記載の方法。  The solution comprises from about 1 mM to about 1 M of the film-forming compound and from about 0.01 M to about 1 M of the nitrate ion source, and from about 1 mM to about 1 M of the film-forming compound and from about 0.1 M to about 0. 8. The method of claim 7, comprising 5M of the nitrate ion source. 前記フィルム形成性化合物が、1,4−フェニレンジアミン;1,3−フェニレンジアミン;テトラシアノキノジメタン;N,N,N’, N’−テトラメチル−p−フェニレンジアミン;p−アミノフェノール;m−アミノフェノール;o−アミノフェノール;アミノチオフェノール;テトラチアフルバレン;チアントレン;トリ−N−p−トリルアミン(tri−N−p−tolyamine);フェロセン;メチルビオロゲンジクロライド水和物;ヒドロ キノン;アミノアントラキノン;アミノアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウム塩;アントラキノン−1,5−ジスルホン酸2ナトリウム塩;アントラキノン−2,6−ジスルホン酸2ナトリウム塩;アセトアニリド、4−ブロモ−2,3,5,6−テトラフルオロアニリン、4,4’−オキシジアニリン;4’−ア ミノアセトアニリド;1,10−フェナントロリン;フェナジン;1,8−ジアミノナフタレン;1,4−ジアセチルベンゼン;テレフタルジカルボキシアルデヒド;テレフタル酸;および2,5−ジクロロ−1,4−フェニレンジアミンの少なくとも1つを含む、請求項7に記載の方法。  The film-forming compound is 1,4-phenylenediamine; 1,3-phenylenediamine; tetracyanoquinodimethane; N, N, N ′, N′-tetramethyl-p-phenylenediamine; p-aminophenol; m-aminophenol; o-aminophenol; aminothiophenol; tetrathiafulvalene; thianthrene; tri-Np-tolyamine; ferrocene; methyl viologen dichloride hydrate; hydroquinone; amino Anthraquinone; aminoanthraquinone-2-sulfonic acid sodium salt; anthraquinone-1,5-disulfonic acid disodium salt; anthraquinone-2,6-disulfonic acid disodium salt; acetanilide, 4-bromo-2,3,5,6- Tetrafluoroaniline, 4,4'-oxydianiline; 4'-aminoacetanilide; 1,10-phenanthroline; phenazine; 1,8-diaminonaphthalene; 1,4-diacetylbenzene; terephthaldicarboxaldehyde; terephthalic acid; The method of claim 7, comprising at least one of dichloro-1,4-phenylenediamine. アノードおよびカソード、ならびにフィルム形成性化合物および硝酸イオン供給源を含むフィルム形成溶液を備えた第1の電気化学的セルに電流を印加することにより作製される、該カソード上に形成された触媒フィルムを使用する方法であって:
アノード、該触媒フィルムを有するカソード、および反応物を含む反応物溶液を備えた第2の電気化学的セルを提供する工程;
該第2の電気化学的セルに電流を印加する工程;および
該第2の電気化学的セルから生成物を回収する工程、を包含する、方法。
A catalyst film formed on the cathode made by applying an electric current to a first electrochemical cell comprising an anode and a cathode and a film-forming solution comprising a film-forming compound and a source of nitrate ions. The method to use is:
Providing a second electrochemical cell comprising an anode, a cathode having the catalyst film, and a reactant solution comprising the reactant;
Applying a current to the second electrochemical cell; and recovering a product from the second electrochemical cell.
前記第1の電気化学的セルおよび前記第2の電気化学的セルが同じ電気化学的セルである、請求項12に記載の方法。  13. The method of claim 12, wherein the first electrochemical cell and the second electrochemical cell are the same electrochemical cell. 前記第1の電気化学的セルおよび前記第2の電気化学的セルが異なる電気化学的セルである、請求項12に記載の方法。  13. The method of claim 12, wherein the first electrochemical cell and the second electrochemical cell are different electrochemical cells. 前記反応物が窒素含有化合物を含み、そして前記生成物がヒドロキシルアンモニウム塩を含む、請求項12に記載の方法。  13. The method of claim 12, wherein the reactant comprises a nitrogen containing compound and the product comprises a hydroxylammonium salt. 前記反応物がアクリロニトリルを含み、そして前記生成物がアジポニトリルを含む、請求項12に記載の方法。  13. The method of claim 12, wherein the reactant comprises acrylonitrile and the product comprises adiponitrile.
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