DE2501342B2 - Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffperoxid - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von WasserstoffperoxidInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffperoxid, bei dem durch
elektrolytische Zerlegung einer wäßrigen Alkalihydroxidlösung und Zuführung von Sauerstoff über die als
Gaselektrode ausgebildete Kathode eine Alkalihydroxid und Alkalihydroperoxid enthaltene wäßrige Lösung
gebildet wird.
Wasserstoffperoxid findet in der Technik vielfache Anwendung, beispielsweise als Oxidationsmittel oder
auch zur Herstellung daraus abgeleiteter Peroxide. Es wird auch beispielsweise in der Papierindustrie und der
Textilindustrie als Bleichmittel verwendet.
Die Herstellung von Wasserstoffperoxid ist bekannt. Es besteht ein Verfahren zur Herstellung von
Wasserstoffperoxid darin, daß Schwefelsäure oder eine Ammoniumsulfatlösung in einer Elektrolysezelle anodisch
zu Peroxidischwefelsäure, beziehungsweise zu Peroxidisulfat oxidiert wird. Im Anschluß daran werden
die Peroxidischwefelsäure oder das Peroxidisulfat bei erhöhten Temperaturen hydrolytisch gespalten. Das
dabei entstehende Wasserstoffperoxid wird von den übrigen Reaktionspartnern durch Vakuumdestillation
abgetrennt. Nachteilig ist bei diesem Verfahren jedoch, daß zu seiner Durchführung ein verhältnismäßig hoher
Energieaufwand erforderlich ist. Hinzu kommt, daß infolge der Aggressivität des Mediums und infolge des
dabei notwendigerweise sehr positiven Anodenpotentials die Anoden aus hochbeständigem Werkstoff
bestehen müssen, so daß als Anodenmaterial praktisch nur Platin verwendbar ist Nachteilig ist schließlich auch,
daß wegen der Korrosionserscheinungen aufgrund der bei diesem bekannten Verfahren hydrolytischen Spaltung
und der Notwendigkeit, anschließend eine destillative Abtrennung aus der heißen Schwefelsäure
vorzunehmen, hohe Anforderungen hinsichtlich des Werkstoffs, der für die zur Durchführung des Verfahrens
benutzte Vorrichtung gebraucht wird, gestellt werden müssen.
ίο Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von
Wasserstoffperoxid, bei dem Wasserstoffperoxid neben dem bei der Oxidation von Hydrochinonen durch
Luftsauerstoff gebildeten Chinon anfällt Dieses Verfahren weist zwar die Nachteile des vorbezeichneten
elektrolytischen Verfahrens nicht auf. Doch ist bei diesem Verfahren nachteilig, daß die zu der dabei
erforderlichen Rückgewinnung des Hydrochinons durch Hydrierung des Chinons verwendbaren Katalysatoren
nicht selektiv genug sind. Die Katalysatoren sind bei diesem Verfahren in der Reaktionslösung suspendiert.
Als Katalysatoren kommen praktisch nur sehr teure Metalle, wie Platin, Raney-Nickel oder dergleichen in
Frage. Dies führt dazu, daß das Verfahren sehr aufwendig ist Hinzu kommt, daß, bevor die Oxidation
des Hydrochinons eingeleitet wird, die in der Lösung suspendierten Katalysatoren aus der Arbeitslösung
abgetrennt werden müssen. Dadurch wird dieses Verfahren umständlich, und da bei diesem Verfahren
Nebenprodukte entstehen, sind zusätzlich umständliche Reinigungsmaßnahmen erforderlich, um das Wasserstoffperoxid
dem als Kreislauf geführten Reaktionsprozeß zu entziehen.
Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffperoxid, bei dem durch kathodische Reduktion
von Sauerstoff unter Verwendung einer wäßrigen Lösung von Kaliumchlorid als Elektrolytflüssigkeit
Wasserstoffperoxid hergestellt wird. Nach diesem bekannten Verfahren wird die die Hydroperoxidionen
enthaltende Elektrolytflüssigkeit der Elektrolyse entnommen,
mit Salzsäure neutralisiert und das so gebildete Wasserstoffperoxid durch Destillation gewonnen
(vergl. E. B e r 1, Trans. Electrochem. Soc. 76 (1939),
S. 359). Es hat sich jedoch gezeigt, daß dieses Verfahren für die Anwendung in der Praxis ungeeignet war, da die
Destillation infolge der Anwesenheit von Chloridionen in der Elektrolytflüssigkeit sehr unergiebig war, so daß
die Wasserstoffperoxidgewinnung unwirtschaftlich wurde.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur
so Herstellung von Wasserstoffperoxid zu schaffen, dessen Durchführung einfach ist und bei dem eine hohe
Ausbeute gewährleistet wird. Die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens soll noch dadurch erhöht werden, daß
leicht erhältliche Ausgangsstoffe verwendet werden und der Anfall schädlicher Nebenprodukte vermieden wird.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß der Alkalihydroxid
und Alkalihydroperoxid enthaltenden wäßrigen Lösung eine konzentrierte Erdalkalihydroxidlösung
oder wäßrige Suspension von Erdalkalihydroxid zugegeben wird, worauf das dabei durch Reaktion des
Erdalkalihydroxids mit dem Alkalihydroperoxid gebildete Erdalkaliperoxid nach Ausfüllen und Abfiltern von
dem zugleich gebildeten, in der wäßrigen Lösung enthaltenen Alkalihydroxid abgezogen, in Wasser
aufgeschlämmt und unter Einleiten von Kohlendioxid unter gleichzeitiger Bildung von Wasserstoffperoxid zu
Erdalkalikarbonat umgefällt wird, worauf das Erdalkali-
karbonat abgefiltert und abgezogen wird. Das Wasserstoffperoxid
liegt dabei in Wasser gelöst vor. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung fällt also Wasserstoffperoxid
zwar gelöst in Wasser, jedoch ohne Verunreinigung durch Nebenprodukte an. Durch Destillation ist es
ohne weiteres möglich, die dem jeweiligen Bedarfsfall entsprechende Konzentration herzustellen. Der zur
Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung erforderliche Energieverbrauch ist, bezogen auf die
Ausbeute, gering. Hinzu kommt als weiterer erheblicher Vorteil, da3 für die dabei verwendete Elektrode
Werkstoffe benutzt werden können, die verhältnismäßig preiswert sind. Wird als Erdalkalihydroxid Kaiziumhydroxid
verwendet, so hat diese Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung den Vorzug besonders
großer Wirtschaftlichkeit, da Kalziumhydroxid in hinreichender Menge in Form von gelöschtem Kalk zur
Verfügung steht Ein weiterer Vorzug des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß das bei der
Durchführung anfallende Kalziumkarbonat zu Kalziumoxid kalziniert werden kann, wobei Kohlenstoffdioxid
anfällt, so daß das Kohlenstoffdioxid bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung im Kreislauf
geführt werden kann. Das anfallende Kalziumoxid wird in Wasser aufgeschlämmt und kann als Kalziumhydroxid
ebenfalls im Kreislauf geführt werden.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung als Alkaliverbindung Kaliumhydroxid verwendet,
da Kaliumperoxid nicht aus der Losung an der Kathode auskristallisiert Das hat den Vorteil, daß die
Kathode über verhältnismäßig große Zeiträume brauchbar bleibt Eine zweckmäßige Weiterbildung des
Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß die durch Abfiltern und Abziehen des Erdalkaliperoxids
gebildete Alkalihydroxid enthaltene Lösung in die Elektrolysezelle zurückgeleitet wird. Vorteilhaft ist
hierbei, daß das bei dem Verfahren gemäß der Erfindung anfallende Alkalihydroxid im Prozeß wieder
verwendbar ist was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens gemäß der Erfindung weiter erhöht.
Der Ablauf des Verfahrens gemäß der Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen
Fließschemas erläutert.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird in den Anodenraum 1 einer durch ein Diaphragma 2 in einen
Anodenraum 1 und einen Kathodenraum 3 unterteilten Elektrolysezelle 4 eine wäßrige Kaliumhydroxidlösung
eingespeist Der an der Anode gebildete Sauerstoff wird im oberen Teil des Anodenraums abgezogen und kann
der Kathode 5 zugeführt werden. Der als Gaselektrode
ausgebildeten Kathode 5 wird unter leichtem Überdruck Sauerstoff oder Luft von oben zugeführt.
Unverbrauchter Sauerstoff, beziehungsweise Luft, wird im oberen Teil des Kathodenraums wieder abgezogen.
Das bei der Reaktion in der Elektrolysezelle 4 gebildete Kaliumhydroperoxid sowie das gleichfalls dabei anfallende
Kaliumhydroxid werden in einen mit der Elektrolysezelle 4 verbundenen Behälter 6 geleitet und
in dem Behälter 6 mit Kalziumhydroxid versetzt. Das dabei gebildete Kalziumperoxid wird mittels des Filters
7 abgefiltert und in ein druckdicht ausgebildetes Reaktionsgefäß 8 weitergeleitet. Im Anschluß daran
wird das aus einer Kaliumhydroxidlösung bestehende Filtrat dem Anodenraum der Elektrolysezelle 4 wieder
zugeführt. In dem Reaktionsgefäß 8 wird das Peroxid in Wasser aufgeschlämmt und unter Druck mit Kohlendioxid
versetzt Dabei wird das Kalziumperoxid zu Kalziumkarbonat ums?fa|!t Die Aufschlämmung wird
sodann durch Filtrieren mitttls eines in dem Reaktionsgefäß 8 angeordneten Filters 9 abgefiltert Das Filtrat ist
eine wäßrige Lösung von Wasserstoffperoxid, das sich dabei ergibt Es kann dem Bedarfsfall entsprechend -
wie in dem Fließschema nicht wiedergegeben ist — durch Destillieren konzentriert werden. Außerdem ist es
— wie in der Zeichnung gleichfalls nicht wiedergegeben ist — möglich, das bei der Filtration als Rückstand
verbleibende Kalziumkarbonat zu Kalziumoxid zu
ίο kalzinieren, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird. Das
dabei gewonnene Kalziumoxid und Kohlendioxid kann bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der
Erfindung wieder verwendet werden.
Ausführungsbeispiel
Zur Herstellung des Wasserstoffperoxids wurde eine Elektrolysezelle verwendet, die durch ein aus porösem
Polyvinylchlorid bestehendes Diaphragma in Anoden- und Kathodenraum unterteilt war. Die Flächen der
Elektroden betrugen etwa 50 cm. Der Durchsatz der Elektrolytflüssigkeit durch die Elektrolysezelle betrug
umgerechnet etwa 401 Flüssigkeit je Quadratmeter Elektrodenfläche und Stunde. Als Elektrolytflüssigkeit
wurde eine 4-molare Kaliumhydroxidlösung verwendet und in den Anodenraum geleitet Dabei bildete sich
zwischen der Lösung im Anodenraum und der im Kathodenraum befindlichen Lösung ein solcher Höhenunterschied
aus, daß die dem Durchsatz entsprechende Lösungsmenge durch das Diaphragma in den Kathodenraumfloß.
Zwischen Anoden und Kathoden wurde eine Spannung von 2,4 V eingestellt so daß sich eine
Stromdichte ergab, die umgerechnet etwa 2000 Ampere je Quadratmeter Elektrodenfläche entsprach.
Der an der Graphitanode gebildete Sauerstoff wurde oberhalb des Anodenraums abgeführt Der Kathode,
deren aktive Masse aus mit Kautschuck gebundener Aktivkohle in einer für die Bildung von Wasserstoffperoxid
geeigneten Qualität bestand, wurde Sauerstoff mit einem Überdruck von etwa 0,1 atü in einer Menge
zugeführt, die umgerechnet etwa 1250 Liter je Quadratmeter Elektrodenfläche und Stunde entsprach.
Dies war etwa das l,5fache der Menge, die theoretisch verbraucht werden konnte. Der Sauerstoffüberschuß
diente der Durchmischung der Lösung im Kathodenraum und der Beschleunigung der Wärmeabgabe von
der Lösung an eine mit Wasser durchflossene Kühlschlange. Die Temperatur im Kathodenraum
stellte sich hierbei auf etwa 20 bis 25° C ein, wodurch die so selbsttätige Zersetzung des Wasserstoffperoxid? weitgehend
eingeschränkt wurde. Im Anodenraum stellte sich eine Temperatur von etwa 500C ein.
Der dem Kathodenraum entnommenen Elektrolytlösung, die Kaliumhydroxid und Kaliumhydroperoxid
enthielt, wurde eine wäßrige Suspension von Kalziumhydroxid in etwa stöchiometrischer Menge zugesetzt.
Die hierzu erforderliche Menge an Kalziumhydroxid betrug umgerechnet etwa 2,78 kg je Quadratmeter
Elektrodenfläche und Stunde. Dabei fiel ein Niederschlag von Kalziumperoxid aus, der noch eine geringe
Menge an Kalziumhydroxid enthielt Die auf den geflossenen Strom bezogene Menge an Kalziumperoxid
entsprach dabei einer Ausbeute von etwa 90% der theoretisch möglichen Menge. Die von dem Niederschlag
abfiltrierte zurückgebildete 4-molare Kaliumhydroxidlösung wurde wieder in den Anodenraum der
Elektrolysezelle eingespeist.
Das bei der Filtration als Rückstand erhaltene
Das bei der Filtration als Rückstand erhaltene
Kalziumperoxid wurde in einem druckdicht ausgebildeten Reaktionsgefäß mit umgerechne«. etwa 201 Wasser
je Quadratmeter Elektrodenfläche und Stunde aufgeschlämmt und die Aufschlämmung bis zu einem Druck
von 7 atü mit Kohlendioxidgas versetzt. Hierbei wurde das Kalziumperoxid und das in geringen Mengen
vorhandene Kalziumhydroxid zu Kalziumkarbonat umgefällt, worauf die Aufschlämmung filtriert wurde.
Das Filtrat war eine verdünnte Lösung von 5 Gew.% Wasserstoffperoxid in Wasser. Das als Rückstand bei
der Filtration erhaltene Kalziumkarbonat wurde verworfen. Die gebildete Menge an Wasserstoffperoxid
entsprach einer auf den geschlossenen Strom bezogenen Ausbeute von 82%.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoffperoxid, bei dem durch elektrolytische Zerlegung einer
wäßrigen Alkalihydroxidlösung und Zuführung von Sauerstoff über die als Gaselektrode ausgebildete
Kathode eine Alkalihydroxid und Alkalihydroperoxid enthaltende wäßrige Lösung gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalihydroxid und Alkalihydroperoxid enthaltenden
wäßrigen Lösung eine konzentrierte Erdalkalihydroxidlösung oder eine Aufschlämmung von Erdalkalihydroxid
in Wasser oder festes Erdalkalihydroxid oder Erdalkalioxid zugegeben wird, worauf das
dabei durch Reaktion des Erdalkalihydroxids mit dem Alkalihydroperoxid gebildete Erdalkaliperoxid
nach Ausfällen und Abfiltern von dem in der wäßrigen Lösung vorliegenden Alkalihydroxid abgezogen
und in bekannter Weise durch Aufschlämmen in Wasser und Einleiten von Kohlendioxid unter
gleichzeitiger Bildung von Wasserstoffperoxid zu Erdalkalikarbonat umgefällt wird, worauf das
Erdalkalikarbonat abgefiltert und abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalihydroxid Kaliumhydroxid
verwendet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fällung des
Erdalkaliperoxids Kalziumoxid oder Kalziumhydroxid verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Abfiltern und
Abziehen des Erdalkaliperoxids gebildete, Alkalihydroxid enthaltende Lösung in die Elektrolysezelle
zurückgeleitet wird.
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