專利名稱：一種制備氫氧化鉀的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制備高純度氫氧化鉀的新方法。
已有的工業(yè)上制備氫氧化鉀的方法一般有以下三種1、隔膜電解法簡化的隔膜電解法示意圖如

圖1所示，隔膜是一種石棉纖維制成的滲透性隔層，電解槽被隔膜分隔成陽極室和陰極室，隔膜的微孔容許離子和溶液通過，但分開陽極上產(chǎn)生的氯氣和陰極上產(chǎn)生的氫氣，并阻礙氫氧化鉀回流。其反應(yīng)式為這種方法由于隔膜存在一定的反向滲透作用，其陰極室中獲得的氫氧化鉀純度不高，一般工業(yè)制備的成品中以氯化鉀為主的雜質(zhì)含量高達(dá)百分之幾。而且總能源耗是若干制備方法中最高的，而且隔膜所用的石棉纖維危及人肺，對環(huán)保不利。
2、水銀電解法簡化的水銀電解法示意如圖2所示。
水銀電解法的槽中有一個絕緣隔板，直插到水銀面以下，把槽分為電解室和成品室。電解室中有陽極和水銀陰極，電解液為氯化鉀(原料)的水溶液。電解液中，氯離子在陽極上失去電子后變成氯氣排出，鉀離子在水銀陰極上還原成金屬鉀，并溶于汞生成鉀汞齊。鉀汞齊受裝置上驅(qū)動力作用流向成品室一邊，其中溶解的鉀與成品室的水作用生成氫氧化鉀，并放出氫氣。
這種方法優(yōu)點(diǎn)是能耗少，可獲得高純度氫氧化鉀、氯氣和氫氣。一般氯離子在氫氧化鉀成品中的含量達(dá)到幾個PPM以下，其缺點(diǎn)是由于裝置運(yùn)行工作溫度較高，而水銀的沸點(diǎn)較低，故此時的水銀蒸汽壓較高。水銀蒸氣和成品中含有微量水銀造成環(huán)境污染，是不受歡迎的方法，現(xiàn)已被淘汰。
3、離子膜電解法簡化的離子膜電解法示意圖如圖3所示。它利用陽離子交換膜將電解槽分為陽極室和陰極室，陽離子交換膜允許陽離子通過，而阻止陰離子通過。鉀離子在透過陽離子交換膜向陰極室移動后，與陰極上因電解水生成的氫氧根作用生成氫氧化鉀。在陽極室的氯離子受離子交換膜的阻止，不能進(jìn)入陰極室，它在陽極上失去電子后變成氯氣排出。在陰極室，因水電解和鉀水反應(yīng)生成的氫氣也被排出。
這種方法的總能耗低，獲得的氫氧化鉀純度高，成品中氯離子含量可達(dá)到50PPM以下，不存在水銀和石棉的環(huán)境污染問題，但離子膜的價(jià)格高昂，使用壽命一般2年。最主要的問題是成品中氯根的含量尚達(dá)不到電池級的要求(Cl<10PPM>，而堿性電池和蓄電池是消耗高純氫氧化鉀增長最快的行業(yè)。
本發(fā)明的目的是提供一種無工業(yè)環(huán)境污染，能耗少，成本低廉的制備氫氧化鉀的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的，它類似于水銀電解法的原理，但并沒有使用水銀，而是以一種飽和蒸氣壓很低的且無毒無消耗的液態(tài)合金取代汞。圖4的簡化原理圖表示本發(fā)明制備氫氧化鉀的原理，電解槽底部存放的不是水銀而是一種液態(tài)合金，電解槽的上部豎直插入一個絕緣隔板，至液態(tài)合金液面下，把空間分隔成電解室和成品室，而液態(tài)合金可以在絕緣板下自由流動，電解室上部有陽極，下部有液態(tài)合金構(gòu)成的陰極。電解室中的氯化鉀溶液中的氯離子在陽極上失去電子后變成氯氣排出，鉀離子在液態(tài)合金陰極上還原成金屬鉀元素并立即與液態(tài)合金生成鉀·合金齊，鉀·合金齊受驅(qū)動裝置上驅(qū)動力的作用流向成品室一邊。鉀與成品室的水作用生成氫氧化鉀，并放出氫氣。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能耗低，很嚴(yán)密地防止氯離子進(jìn)入氫氧化鉀成品區(qū)域，可以獲得高純度氫氧化鉀、氯離子含量低于幾個PPM，特別適合堿電池工業(yè)用。由于液態(tài)合金無毒且沸點(diǎn)高，故既無損耗又沒有環(huán)境污染問題，且由于不含汞，產(chǎn)品純度比水銀法還高。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
圖1為隔膜電解法示意圖；圖2為水銀電解法示意圖；圖3為離子膜電解法示意圖；圖4為本發(fā)明原理圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例示意圖；作為本發(fā)明的一個實(shí)施例，如圖5所示，電解槽容器底部存放由元素鎵、銦、錫、鉍、銀等金屬組成的液態(tài)合金，上部豎直插入一個絕緣隔板，至液態(tài)合金液面下，把空間分隔成電解室和成品室，而液態(tài)合金可以在絕緣板下自由流動，電解室中上部有陽極，下部有液態(tài)合金構(gòu)成的陰極。電解室中的氯化鉀溶液中的氯離子在陽極上失去電子后，變成氯氣排出，鉀離子在液態(tài)合金陰極上還原成鉀元素，并與合金生成鉀·合金齊，鉀·合金齊受驅(qū)動裝置上驅(qū)動力的作用流向成品室一邊，鉀與成品室的水作用生成氫氧化鉀并放出氫氣。成品室上面有鎳板復(fù)蓋形成一個小空間，一小根管子向這個小空間可輸入水蒸汽；容器的底部裝上一組線圈，當(dāng)線圈通上三相交流電時，會形成旋轉(zhuǎn)磁場。合金表面有一個螺旋輸送器，可輸送成形的固態(tài)氫氧化鉀。
本發(fā)明的工作過程是電解室中，氯化鉀溶液的氯離子在陽極上失去電子后變成氯氣放出，鉀離子在合金陰極上還原成為鉀元素，并與合金生成鉀·合金齊，鉀合金齊受到外界線圈通三相交流電形成的旋轉(zhuǎn)磁場作用，由于楞茨定律，在合金中感應(yīng)出電流，這一電流與線圈磁場相互作用，使合金跟著旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。從而鉀·合金齊進(jìn)入成品室，成品室的小管子里送入水蒸汽，蒸汽與鉀·合金齊的鉀作用，生成氫氧化鉀，同時釋放出氫氣。由于蒸汽中無液態(tài)水份，因此，生成的氫氧化鉀呈固態(tài)；浮在合金表面的固態(tài)氫氧化鉀隨著合金旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，被收集到成品室一側(cè)，用一個螺旋輸送器把成品輸出。
促成合金旋轉(zhuǎn)運(yùn)動可采用多種方法，除上述旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動外，還可以用電動機(jī)帶動磁鐵使容器內(nèi)的鐵磁場旋轉(zhuǎn)(該鐵磁物用高穩(wěn)定材料包封)，以及使用純粹的機(jī)械旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，但要考慮密封。
為了獲得更高純度和更高濃度的氫氧化鉀，在成品室可以送入水的蒸汽，水蒸汽中不會含有溶于水的各種陽離子雜質(zhì)，而且水蒸汽與鉀元素反應(yīng)本身又放出熱量，因此獲得的氫氧化鉀成品中含水量較低，是高純度的固態(tài)氫氧化鉀。
此外還可以使用超聲水霧裝置向鉀·合金齊注入超細(xì)水霧及超聲波振動，使形成氫氧化鉀高純度而且迅速。
本發(fā)明中使用的液態(tài)合金是由鎵、銦、錫、鉍、銀等金屬組成，或其中某幾種按一定比例組成。該液體合金熔點(diǎn)低，在電解槽工作溫度下呈液態(tài)，化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒，能夠與鉀構(gòu)成鉀·合金齊，吸附和釋放鉀元素特性優(yōu)良。上述金屬中除鎵的金屬活潑性稍高而外，其余金屬皆為惰性，鎵僅是形成常溫液態(tài)合金所需要的。故本發(fā)明若完全不用鎵，而增加一個低溫預(yù)熱器(僅幾十?dāng)z氏度)，用以使電解裝置在冷啟動時使合金熔化，則能做到液態(tài)合金在工作時基本損耗，且產(chǎn)品純度更高(因無鎵損耗)。
以上所闡述的發(fā)明與實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)工藝流程會有差異，但根據(jù)這一發(fā)明原理，可以設(shè)計(jì)出實(shí)用工藝流程。
權(quán)利要求
1.一種制備氫氧化鉀的新方法，其特征在于該方法屬于液態(tài)金屬陰極電解法，電解槽的底部存放一種液態(tài)合金，電解槽上部豎直插入一個絕緣板，至液態(tài)合金液面下，把空間分隔成電解室和成品室，而液態(tài)合金可以在絕緣板下自由流動，電解室上部有陽極，下部有液態(tài)合金構(gòu)成的陰極，電解室中的氯化鉀溶液中的氯離子在陽極上失去電子后變成氯氣排出，鉀離子在液態(tài)合金陰極上還原成鉀元素并與合金生成鉀·合金齊、鉀·合金齊受裝置上驅(qū)動力的作用流向成品室一邊，鉀與成品室的水作用生成氫氧化鉀并放出氫氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氧化鉀制備方法，其特征在于所用的合金是由元素鎵、銦、錫、鉍、銀等金屬組成，或者其中某幾種金屬按一定比例組合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氫氧化鉀的方法，其特征在于為進(jìn)一步提高成品的純度和濃度，可以在成品室送入水蒸汽與鉀·合金齊作用獲得高純度固態(tài)氫氧化鉀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氫氧化鉀的方法，其特征在于為了迅速高效獲得氫氧化鉀成品，還可以在成品室送入超聲水霧及超聲振動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述制備氫氧化鉀方法，其特征在于為了驅(qū)動容器內(nèi)液態(tài)合金的運(yùn)動，可以采用在容器底部安裝線圈通上三相交流電形成旋轉(zhuǎn)磁場，使容器內(nèi)的金屬受電磁力作用而旋轉(zhuǎn)。也可以用電動機(jī)帶動磁鐵使容器內(nèi)的鐵磁物跟著旋轉(zhuǎn)而帶動合金旋轉(zhuǎn)，以及純粹的機(jī)械旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。
全文摘要
一種制備氫氧化鉀的方法，該方法屬液態(tài)金屬陰極電解法，電解槽中使用了由鎵、銦、錫、鉍、銀等金屬或其中某幾種金屬組成的低熔點(diǎn)合金，在電解槽的上部豎直插入一個絕緣隔板，至液態(tài)合金下，把空間分隔成電解室和成品室，而液態(tài)合金可以在絕緣板下流動，電解室上部有陽極，下部有液態(tài)合金構(gòu)成的陰極。電解的陽極使氯化鉀溶液中的氯離子變?yōu)槁葰夥懦?，電解槽的陰極是液態(tài)合金層，它吸引鉀離子并使之還原形成鉀·合金齊，鉀·合金齊運(yùn)動到另一區(qū)域與水作用生成氫氧化鉀，并放出氫氣。該方法能耗低，沒有環(huán)境污染問題，產(chǎn)品的純度是所有方法中最高的。
文檔編號C25B1/16GK1410597SQ0112889
公開日2003年4月16日 申請日期2001年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月25日
發(fā)明者劉永言 申請人:成都希望電子研究所