PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Producción de Peróxido de Hidrógeno EIQ 544
Procesos Electroquímicos
Erick González Arce
Introducción
Producción peróxido de hidrógeno por reducción catódica del oxigeno • La producción de peróxido de hidrógeno pasa por la reducción del oxigeno en el cátodo. 𝑂2 + 2𝐻 + + 2𝑒 − → 𝐻2 𝑂2 𝐸 0 = 0.696 𝑉 • Y en el ánodo ocurre la oxidación de agua. 𝑂2 + 4𝐻 + + 4𝑒 − → 2𝐻2 𝑂 𝐸 0 = 1.229 𝑉 𝐸𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 𝑜 = 𝐸𝑐𝑎𝑡𝑜𝑑𝑜 − 𝐸𝑎𝑛𝑜𝑑𝑜 = 0.696 − 1.229 = −0.892 • Se requiere aproximadamente 1Volt para que ocurra la reacción (efecto del sobrepotencial).
• La celda comúnmente posee un ánodo insoluble de titanio recubierto con capa de 𝐼𝑟𝑂2 45% + 𝑇𝑖𝑂2 55% y el cátodo puede ser un grafito o carbón vítreo. • El proceso posee eficiencia de corriente entre un 80 – 90 %. • El rendimientos de Peróxido de Hidrógeno es de aproximadamente 10 % de soluciones acuosa, que para lograr estándares comerciales se deben destilar (concentraciones comerciales 50 – 70 %).
Producción de peróxido de hidrógeno vía electrolisis de ion sulfato y hidrolisis de ion persulfato • Es un proceso de producción a escala industrial de peróxido de hidrogeno. • Se caracteriza por poseer dos etapas: 1.
2.
La primera etapa es la oxidación del ion sulfato a el ion persulfato. 𝐴𝑛𝑜𝑑𝑜: 𝑆𝑂4 −2 → 𝑆2 𝑂8 −2 + 2𝑒 − + 2𝐻+ 𝐸 0 = −2.12 𝑉 𝐶𝑎𝑡𝑜𝑑𝑜: 2𝐻+ + 2𝑒 − → 𝐻2 𝐸0 = 0 𝑉 Formación del peróxido de Hidrógeno por la hidrolisis de ion persulfato (𝑆2 𝑂8 −2 ). 𝑂𝑥𝑖𝑑𝑎𝑐𝑖ó𝑛: 𝑆2 𝑂8 −2 + 2𝑒 − + 2𝐻− → 2𝐻𝑆𝑂4 − 𝐸 0 = 2.12𝑉 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛: 2𝐻2 𝑂 → 𝐻2 𝑂2 + 2𝐻+ + 2𝑒 − 𝐸 0 = −1.77 𝑉
𝑅𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙: 𝑆2 𝑂8 −2 + 2𝐻2 𝑂 → 2𝐻𝑆𝑂4 −2 +𝐻2 𝑂2 𝐸𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑜 = 0.35 𝑉
Proceso Degussa - Weissenstein
Descripción del proceso • En el tanque de alimentación al electrolizador se ajusta la concentración acido sulfúrico entre de 550- 570 g/l por un flujo de agua • En la cámara catódica donde peróxido residual es destruido produciendo hidrogeno y iones de metales pesado son precipitado por la adición de químicos (amonio de rodanuro y ácido clorhídrico) • La cámara del anódica donde el ácido persulfato es formado. • La hidrolisis del acido persulfato a peróxido de hidrogeno, requiere que el agua este a una alta temperatura para que ocurra la reacción. La hidrolisis ocurre entre 80- 90 % en el evaporador y el resto el expulsor de peróxido. • La corriente concentrada de acido del expulsor es recirculada al tanque de alimentación al electrolizador, previo purificación de este. • La mezcla de vapor- Peróxido de Hidrogeno es separada en una columna fraccionadora. Obteniendo una solución acuosa de peróxido de hidrogeno del 45 % peso.
Rendimiento de proceso Rendimientos o consumos de proceso en base de 100 kg de peróxido de hidrógeno producido
DEGUSSA-WEISSENSTEIN
Rendimiento de corriente, %
73
Rendimiento Hidrolisis y destilación, %
93-96
Rendimiento total, %
68-70
Energía eléctrica kWh
1280
Vapor, ton
1,85
Agua de enfriamiento, m3
200
Proceso Münchner
Descripción del proceso • Las solución circulante contiene 300 g/l de 𝑁𝐻3 2 𝑆𝑂4, 40 g/l de 𝐾2 𝑆𝑂4 , 100 g/l de 𝐻2 𝑆𝑂4 y 57,6 g/l de 𝑆2 𝑂8−2 a la entrada del electrolizador. • La concentración de persulfato es incrementada a 115,2 g/l a la salida Electrolizador. Después electrolisis, la solución circulante es enfriada y concentrada en un enfriador a vacío por vaporización de agua • En el cristalizador hace que precipite el 50 % del ion persulfato (𝑆2 𝑂8−2 ) como persulfato de potasio (𝐾2 𝑆2 𝑂8 ) por efecto de la adición Hidrógeno de sulfato de potasio (𝐾𝐻𝑆𝑂4 ), lo cuales pasan a una centrifuga donde separa el persulfato de potasio que va al hidrolisis y el liquido remanente es recirculado al electrolizador. • Al igual del proceso anterior la hidrolisis se forma peróxido por medio de la reacción con vapor de agua es llevada a una columna fraccionadora que separa el agua de una solución de peróxido. La diferencia del proceso anterior es que el proceso es de tipo Bach, esto afecta la concentración de la solución acuosa de peróxido de hidrogeno dando inicialmente un 60 % peso que luego cae al 20 %.
Rendimiento de proceso Rendimientos o consumos de proceso en base de 100 kg de peróxido de hidrógeno producido Rendimiento de corriente, %
MÜNCHNER
83
Rendimiento Hidrolisis y destilación, % Rendimiento total, %
68-70.5
Energía eléctrica kWh
1700
Vapor, ton
4,5-4,8
Agua de enfriamiento, m3
250
82-85
Conclusiones • Proceso electroquímico de producción de peróxido de hidrógeno es de menor importancia industrial. Esto se debe primicialmente a la factibilidad económica de éste, ya que posee altos consumos de energía y bajos eficiencia de corriente( cerca 70 % los procesos electrolítica). • La producción por reducción catódica es recomendable principalmente para producción en laboratorio o en pequeña escala. • Los principal forma de producir grandes cantidades y a escala industrial de peróxido de hidrógeno es autooxidación de compuestos orgánicos.
