هیدروکسید فلزات قلیایی در ایالات متحده به میزان حدود 36،500 تن در روز تولید می شود، عمده این حجم تقریبا به طور کامل توسط الکترولیز محلول  آب شورتولید می شود. سنتز الکتروشیمیایی علاوه بر تولید هیدروکسید سدیم، منجر به تولید همزمان کلرین می شود. الکترولیز آب نمک را می توان با معادله I به صورت زیر نشان داد:

2NaCl + 2H₂0 > 2NaOH + Cl₂ + H₂

بر خلاف هیدروکسید های قلیایی فلزی، کلر تولید شده در آند از یک سلول الکترولیتیک در مقادیر استئوکیومتری به هیدروکسید سدیم، به دلیل مشکلات زیست محیطی، با کاهش تقاضا در بازار مواجه شده است.

به عنوان مثال، استفاده از کلر در صنعت کاغذ و پالپ به علت اثرات دیوکسین تولید شده در محصولات کاغذی کاهش یافته است؛

به کارگیری  کلر در  تصفیه آب  و فاضلاب منجر به تولید ترکیبات سمی آلی حاوی کلر می شود؛ ترکیبات مانند کلروفلوئوروکربن ها و متیل کلروفرم به عنوان عوامل مخرب لایه محافظ زمین شناخته شده اند و برخی از آفت کش ها حاوی کلر در سیستم های زیستی  اثرات  سمی از خود نشان می دهد.

در نتیجه، انتظار می رود  کاهش تقاضا نسبت به  کلر در دهه های آتی همچنان ادامه یابد. در مقابل، تقاضا برای هیدروکسید های قلیایی فلزات، مانند سود سوزآور، همچنان بالا باقی خواهد ماند.

BACKGROUND OF THE INVENTION

Alkali metal hydroxides are manufactured in the United States to the extent of approximately 36,500 tons/day, almost entirely by the electrolysis of aqueous brine solutions. In addition to sodium hydroxide the electrochemical synthesis results in the co-production of chlorine. The electrolysis of brine can be shown by Equation I as follows:

(I) 2NaCl + 2H₂0 > 2NaOH + Cl₂ + H₂

Unlike alkali metal hydroxides, chlorine produced at the anode of an electrolytic cell in stoichiometric quantities to sodium hydroxide has experienced a declining market because of environmental problems.

For example, use of chlorine by the pulp and paper industry has been declining because of traces of dioxin formed in paper products;

chlorine in the treatment of sewage and water has been shown to lead to the production of toxic organo-chlorine compounds; compounds like the chlorofluorocarbons and methyl chloroform have been found to be destructive to the earth's protective ozone layer, and certain chlorine-containing pesticides have been shown to be toxic to biological systems.

 Consequently, it is expected that the declining demand for chlorine will continue to weaken in the approaching decades. By contrast, the demand for alkali metal hydroxides, like caustic soda is expected to remain strong.

تعدادی از روش ها برای تولید هیدروکسید های قلیایی فلز بدون تولید همزمان کلر توسعه داده شده است.

در حالی که اکثر روش ها در حذف مسائل مربوط به تولید هم زمان کلر موثر هستند، بسیاری از  آنها به علت کاستی های مختلف به صورت تجاری قابل قبول نیستند، به عنوان مثال  مصرف ناکارآمد انرژی، عدم توانایی در تولید درجه ی خالص از سود سوزآور  و یا تولید محصولات جانبی  سایر محصولات کمتر مطلوب نمونه ای از این کاستی هاست.

به عنوان مثال، یکی از اولین روش های تولید سدیم سودمند بدون تولید محصول جانبی کلر، فرایند به اصطلاح "لیمو سودا" بر اساس واکنش زیر است

Ca(0H)₂ + Na₂C0₃ > CaC0₃ + 2Na0H

فرآیند آهک-سودا دارای نقایص متعددی است. تبدیل کامل به سود در این فرایند دشوار است؛ سود سوزآور ناخالص  است و فرآیند از نظر انرژی ناکارآمد است، به ویژه اگر هر تلاشی برای بازیافت کلسیم با تجزیه حرارتی کربناته به اکسید صورت گیرد.

A number of methods have been developed for the production of alkali metal hydroxides without the simultaneous production of chlorine.

 While most methods are effective in eliminating the problems associated with the co-production of chlorine most have not been viewed as commercially acceptable because of various shortcomings, e.g. inefficient consumption of power, inability to produce a sufficiently pure grade of caustic soda and/or co- production of other less desirable products.

 For example, one of the earliest methods for the production of caustic soda without the co-production of chlorine was the so called "lime-soda" process based on the following reaction:

Ca(0H)₂ + Na₂C0₃ > CaC0₃ + 2Na0H

The lime-soda process has several shortcomings. It is difficult to carry out to full conversion; the caustic soda is impure and the process is energy inefficient, particularly if there is any attempt to recycle the calcium by thermal decomposition of the carbonate to oxide.

در یکی از تجربیات اصلی اختراع، تولید هیدروکسید های فلز قلیایی و هیدروژن در کاتد و دی اکسید کربن و آب در آنزیم می تواند با واکنش های شیمیایی IV و V نشان داده شود

(IV) 2HOH + 2e- > 20H" + H₂t (Cathode)

(V) C0₃-² + H₂ > C0₂t + HOH + 2e^" (Anode)

واکنش شیمیایی کلی که در سلول انجام می گیرد به شکل زیر نمایش داده می شود:

(VI) Na₂C0₃ + H₂0 > 2NaOH + C0₂t

اختراعات عمدتا به روش های بسیار کارآمد و اقتصادی برای تولید بازها مربوط می شود که بدر آنها بیشترین انرژی برای سنتر  الکترو شیمیایی هیدروکسید های فلز قلیایی استفاده می شود و تنها مقادیر جزئی انرژی در الکترولیز آب صرف شود.

محلول هیدروکسید فلزات قلیایی حاصل شده شامل مقادیر غلظتی حدود 5 تا 50 درصد وزنی است.

In one main embodiment of the invention the production of alkali metal hydroxides and hydrogen at the cathode and carbon dioxide and water at the anode can be shown by chemical reactions IV and V:

(IV) 2HOH + 2e- > 20H" + H₂t (Cathode)

(V) C0₃-² + H₂ > C0₂t + HOH + 2e^" (Anode)

The overall chemical reaction in the cell is shown as reaction VI:

 (VI) Na₂C0₃ + H₂0 > 2NaOH + C0₂t

The invention relates mainly to highly efficient and economic methods for the production of bases in which most of the power is utilized in the electro¬ chemical synthesis of useful alkali metal hydroxides with only minor amounts of power being expended in the electrolysis of water.

The alkali metal hydroxide solutions formed have concentrations ranging from about 5 to about 50 percent by weight,