물 전기분해 중 직접 양극성 염산 및 음극 가성 생성

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 20494(2016) 이 기사 인용

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염산(HCl)과 가성(NaOH)은 물 산업에서 가장 널리 사용되는 화학 물질 중 하나입니다. 물 전기분해에 의한 직접적인 양극 전기화학적 HCl 생산은 현재 상업적으로 이용 가능한 전극이 염소를 형성하기 쉽기 때문에 성공적이지 못했습니다. 본 연구에서는 물 전기분해 시 Mn0.84Mo0.16O2.23 산소 발생 전극을 사용하여 NaCl로부터 HCl과 NaOH를 동시에 생성하는 혁신적인 기술을 제시합니다. 결과는 염소 형성이 공급된 전하의 3~5%를 차지하면서 높은 쿨롱 효율(즉 ≥ 95%)에서 양성자가 양극으로 생성될 수 있음을 보여주었습니다. HCl은 음극 부식제 생산의 경우 CE 89 ± 1%와 함께 65 ± 4%의 CE에서 중간 강도로 양극으로 생산되었습니다. HCl 생성에 대한 CE의 감소는 양극에서 중간 구획으로의 양성자 교차로 인해 발생했습니다. 전반적으로, 이 연구는 NaCl로부터 HCl과 NaOH를 동시에 생성할 수 있는 가능성을 보여 주었으며 HCl과 NaOH의 현장 생산을 향한 물 산업의 주요 진전을 나타냅니다. 본 연구에서는 나트륨 및 염화물 이온의 공급원으로 인공 염수를 사용했습니다. 이론적으로 인공 염수는 ROC(역삼투 농축액)와 같은 식염수 폐기물 흐름으로 대체되어 ROC를 귀중한 자원으로 바꿀 수 있습니다.

염산(HCl)과 가성소다(NaOH)는 모두 물과 폐수 처리에 널리 사용되는 화학 물질입니다1,2. 부식제는 주로 염소 생산과 함께 염화나트륨(NaCl)을 전기분해하여 염소-알칼리 공정에서 생산됩니다2,3. 이 공정에서 HCl을 직접 합성할 수는 없지만 음극에서 생성된 염소와 수소 가스를 연소하여 형성할 수 있습니다3. 그러나 농축된 HCl 및 NaOH의 운송, 저장 및 취급은 물 산업에 심각한 산업 보건 및 안전(OH&S) 문제를 안겨줍니다. 대부분의 경우 두 화합물은 물 산업에서 상대적으로 낮은 농도로 사용되므로 앞서 언급한 문제를 피하기 위해 중간 강도의 HCl 및 NaOH 용액을 현장에서 생성하는 데 일반적으로 관심이 있습니다. 현장 발전은 또한 농축 단계를 피하여 전체 에너지 소비를 줄입니다.

양성자(H+)와 수산화물 이온(OH-)은 NaCl 함유 물이 공급되는 양극과 깨끗한 물이 공급되는 음극이 있는 2챔버 전기화학 전지를 사용하여 물을 전기분해하여 생성될 수 있습니다. 그러나 MMO(혼합 금속 산화물) 코팅 티타늄 및 BDD(붕소 도핑 다이아몬드)와 같이 현재 시판되는 양극 재료는 낮은 염화물 농도에서도 염소가 형성되기 쉽습니다4,5,6. 결과적으로 이러한 물질은 NaCl 용액에서 HCl을 직접 생산하는 것을 허용하지 않습니다.

염소 형성을 방지하기 위해 역삼투 농축물에서 산 및 가성 물질을 동시에 생성하기 위한 5개 구획 전기화학 시스템(즉, 양극성 막 전기투석)이 제안되었습니다7. 산과 가성제 동시 생산의 타당성은 입증되었으나, 다중막 사용으로 인한 복잡한 반응기 구성과 시스템의 큰 에너지 요구로 인해 실용적이고 경제적인 타당성은 제한적일 것으로 예상됩니다.

이전 연구에서는 Ir MMO 대신 망간-몰리브덴 산화물로 티타늄 전극을 코팅하면 차아염소산염 형성에 대한 전기촉매 활성이 현저히 감소하는 것으로 나타났습니다8,9,10,11. 이러한 연구는 분리되지 않은 전기화학 전지를 사용하여 약알칼리성 또는 산성 조건에서 해수로부터 수소를 생성하는 것을 목표로 했지만, 결과는 이 물질이 중간 강도의 염산 생산 중에 염소 형성을 잠재적으로 방지할 수 있음을 시사합니다. 실제로, MnO2 기반 코팅이 염화물 이온에 대한 확산 장벽 역할을 할 수 있다는 가설이 세워졌습니다. 이는 높은 농도 분극의 형성을 가능하게 하여 염소 발생 반응에 대한 농도 과전위를 증가시킵니다. 결과적으로, 물 산화로부터 산소 발생이 선호됩니다12. 따라서 이 연구에서 우리는 양극 염소 형성이 발생하지 않으면 위에서 언급한 전기화학 공정에서 두 개의 추가 양극막과 탈이온수를 매체로 사용하지 않고도 MnxMoyOz 양극을 사용하여 HCl과 NaOH를 동시에 생산할 수 있다고 가정합니다. 시스템7. 따라서 우리가 제안한 시스템은 훨씬 낮은 옴 저항에서 작동할 수 있으므로 전력 소모가 적습니다.