CN104593810A - 一种连续流生物电化学系统制备四甲基氢氧化铵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物电化学技术领域，旨在提供一种连续流生物电化学系统制各四甲基氢氧化铵的方法。该方法所述的连续流生物电化学系统由四隔室的微生物脱盐同步产酸碱池组成，所述的四隔室由双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜，通过不同顺序排列，组成阳极室、酸室、中室、碱室四个隔室，以一定摩尔浓度的四甲基氯化铵水溶液作为原料，通过连续运行的方式来制备四甲基氢氧化铵。在此过程中通过产电微生物将化学能转化为电能，具有制备成本低、能耗小、操作简便的特点，兼顾了经济效益与环保效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种四甲基氢氧化铵的制备方法，属于生物电化学领域，特别涉及一种利用连续流的生物电化学系统制备四甲基氢氧化铵的方法。
背景技术
四甲基氢氧化铵(TMAH)，在化工行作为一种可溶性有机强碱，被广泛用作催化剂，在电子行业也常用作印刷电路板及微子芯片制造的光刻剂，蚀刻剂和表面修饰剂，具有很高的应用价值。随着社会发展进步，对TMAH的纯度和制备方法提出了更高的要求。四甲基氢氧化铵的生产方法主要有化学合成法、电化学合成法，在两种制备方法中，化学法虽然能够制备TMAH，但是制备步骤繁琐，包括配液、反应、过滤和精制等，因此用这种方法制备的TMAH无论是制备过程或是制备质量上看都难以符合现代市场要求。电化学法是通过电解四甲基季铵盐水溶液来得到TMAH水溶液，这种方法由于会生成氯气，而且产物和原料混合在一起很难分离，并不能够高浓度的生产TMAH，同时能耗也难以降低。现在迫切需要一种能耗低、成本少的方法来解决这一难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续流生物电化学系统制备四甲基氢氧化铵的新方法，该方法以四甲基氯化铵为原料，可以实现原料成本低廉和多选性。
所述的连续流生物电化学系统由微生物脱盐同步产酸碱池组成，所述的微生物脱盐同步产酸碱池由四隔室的系统组成，所述四隔室由双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜，通过不同顺序排列，组成阳极室、酸室、中室、碱室四个隔室，所述的阳极室通过循环泵将基质溶液泵入；所述的酸室通过循环泵将氯化钠水溶液泵入；所述的中室通过循环泵将四甲基氯化铵泵入；所述的四甲基氢氧化铵按照如下步骤制成：以一定摩尔浓度的四甲基氯化铵水溶液作为原料，进入到中室中，阳极室、酸室、碱室分别加入基质、一定浓度的氯化钠水溶液和极稀的TMAH溶液，控制装置的电压为0.8-2.0V，温度为25.0-30.0℃，在最优水力停留时间4-24h下连续运行。
反应体系的阳极由附着有产电微生物的碳刷组成，位置处于阳极室内，阴极采用炭黑、不锈钢网、活性炭和乙醇制作，位于碱室内，阴极和阳极之间加有电场，在阴极上加有电阻，通过采集卡来采集电阻之间的电压来看反应装置的产电情况。
阳极室中的基质培养液是添加无水乙酸钠、无机盐、微量元素、维生素的溶液，酸室中加入的是一定浓度的氯化钠溶液，中室中加入一定浓度的四甲基氯化铵原料，碱室中加入的是极稀的TMAH溶液。
所述的双极膜为单膜法或双膜法制备的双极膜。
所述的阳离子交换膜为异相膜或均相膜，所述的阳离子交换膜为异相膜或均相膜。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：(1)采用生物电化学系统这种新型的反应装置来制备四甲基氢氧化铵，同时通过连续流的方式运行，可实现制备方式的多样化和提高产物浓度；(2)采用生物电化学系统制备四甲基氢氧化铵，可实现能耗显著下降，同时还可制备其他有经济效益的产品。
附图说明
附图1是连续流生物电化学系统制备四甲基氢氧化铵装置的结构示意图；
附图2是四甲基氢氧化铵产量与时间的关系图。
具体实施方案
如图1所示，应用于生产四甲基氢氧化铵的新型生物电化学系统-微生物脱盐同步产酸碱池是由四室构成，所述四隔室由双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜，通过不同顺序排列，组成阳极室、酸室、中室、碱室四个隔室。
该反应系统中阳极室的阳极为碳刷，并置于阳极室的基质溶液中，刚开始是通过接种的方式来培养产电微生物，继而产电微生物会在碳刷阳极上形成生物膜。
阴极通过三层辊压式制备，有催化层与扩散层两面，分别辊压置于不锈钢网两侧，其中扩散层直接暴露于空气中，催化层是接触碱室的那一侧，阴极和阳极之间加有电场，在阴极上加有电阻，通过采集卡来采集电阻之间的电压来看反应装置的产电情况。
所述的阳极室通过循环泵将基质溶液泵入；所述的酸室通过循环泵将氯化钠水溶液泵入；所述的中室通过循环泵将四甲基氯化铵泵入；所述的四甲基氢氧化铵按照如下步骤制成：以一定摩尔浓度的四甲基氯化铵水溶液作为原料，进入到中室中，阳极室、酸室、碱室分别加入基质、一定浓度的氯化钠水溶液和极稀的TMAH溶液，控制装置的电压为0.8-2.0V，温度为25.0-30.0℃，在最优水力停留时间4-24h下连续运行。
所述的四甲基氢氧化铵制备原理是：中室的四甲基氯化铵会离解出四甲基根离子和氯离子，四甲基根离子透过阳离子交换膜和碱室中的氢氧根离子结合生成四甲基氢氧化铵，同时氯离子透过阴离子交换膜与酸室双极膜电解水产生的氢离子结合生成氯化氢。
利用本发明制备的四甲基氢氧化铵浓度为0.22-0.38mol/L，能耗方面：总能耗为0.58-1.00kWh/kg。
Claims (5)
1.一种连续流生物电化学系统制备四甲基氢氧化铵的方法，其特征在于所述方法为：所述的连续流生物电化学系统由微生物脱盐同步产酸碱池组成，所述的微生物脱盐同步产酸碱池由四隔室的系统组成，所述四隔室由双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜，通过不同顺序排列，组成阳极室、酸室、中室、碱室四个隔室，所述的阳极室通过循环泵将基质溶液泵入；所述的酸室通过循环泵将氯化钠水溶液泵入；所述的中室通过循环泵将四甲基氯化铵泵入；所述的四甲基氢氧化铵按照如下步骤制成：以一定摩尔浓度的四甲基氯化铵水溶液作为原料，进入到中室中，阳极室、酸室、碱室分别加入基质、一定浓度的氯化钠水溶液和极稀的TMAH溶液，控制装置的电压为0.8-2.0V，温度为25.0-30.0℃，最优水力停留时间4-24h连续运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于反应体系的阳极由附着有产电微生物的碳刷组成，位置处于阳极室内，阴极采用炭黑、不锈钢网、活性炭和乙醇辊压制作，位于碱室内，阴极和阳极之间加有电场，在阴极上加有电阻，通过采集卡来采集电阻之间的电压来看反应装置的产电情况。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于阳极室中的基质培养液是添加无水乙酸钠、无机盐、微量元素、维生素的溶液，酸室中加入的是一定浓度氯化钠溶液，中室中加入一定浓度的四甲基氯化铵原料，碱室中加入的是极稀的TMAH溶液。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的双极膜为单膜法或双膜法制备的双极膜。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的阳离子交换膜为异相膜或均相膜，所述的阳离子交换膜为异相膜或均相膜。
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