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电解四甲基碳酸氢铵制备四甲基氢氧化铵

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2010年第18卷 合成化学 Vo1.18,2010 第3期,365—367 Chinese Journal of Synthetic Chemistry No.3,365—367 研究简报・ 电解四甲基碳酸氢铵制备四甲基氢氧化铵 曾庆云,任保增,李宪民,蒲彦锋 (郑州大学化工与能源学院,河南郑州450001) 摘要:以四甲基碳酸氢铵为原料,钛基二氧化钌为阳极,不锈钢为阴极,在H型电解槽中恒电流密度电解合成 四甲基氢氧化铵,主要考察了合成工艺中离子交换膜种类、原料浓度、电解温度和电流密度对电流效率的影响。 研究结果表明,当采用旭化成F4403D为阳离子交换膜,在四甲基碳酸氢铵浓度为1.41 mol・L~,电解液温度 4O℃一60 ,电流密度792 A・nl 的条件下,电流效率可达83.5%。 关键词:四甲基碳酸氢铵;四甲基氢氧化铵;电化学;电船 中图分类号:0464.5 文献标识码:A 文章编号:1005-1511(2010)03-0365-03 Preparation of Tetrame ,t hylammonium Hydroxide by Electrolyzing Tetramethylammonium Bicarbonate ZENG Qing—yun, REN Bao-zeng,LI Xian—min, PU Yan—feng (School of Chemical and Energy Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China) Abstract:The electrolytic synthesis of tetramethyIammonium hydroxide in an H type electrolytic cell under a constant current density was studied,by using tetramethylammonium bicarbonate as raw ma— terial,Ti supported ruthenium dioxide as anode and stainless steel as cathode.The effects of ion ex— change membrane,concentration of tetramethylammonium bicarbonate,temperature of electrolyte and current density on the current efficiency of the process for synthesis were investigated.The resrhs showed that the current efficiency was up to 83.5%under optimal operating conditions:Aciples- F4403D cation exchange membrane,concentration of tetramethylammonium bicarbonate 1.41 mol・ L~,electrolyte temperature 40℃一60 oC,current density 792 A・m~. Keywords:tetramethylammonium bicarbonate;tetramethylammonium hydroxide;electrochemistry; electrolysis 四甲基氢氧化铵(TMAH)又称氢氧化四甲基 片蚀刻剂 】,CMP过程超纯清洗剂,同时也是液 铵,是一种碱性相当于苛性碱的有机碱,它在工业 晶显示器中的显像液。目前TMAH的生产方法 领域有着广泛的用途,如用于有机硅系列产品合 主要有氧化银法、离子交换树脂法、碱置换法、离 成中的催化剂,聚脂类聚合、纺织行业、塑料制品 子膜电解法等…。由于传统制取TMAH的方法 行业、皮革行业等 ¨。电子级TMAH在电子行业 具有成本高和杂质离子含量高等缺陷,从上世纪 中广泛用作丌一LCD[ ,IC正胶显影剂 引,硅 8O年代以来,人们 川开始用电解法制备 收稿日期:2010-01-06 基金项目:河南省重大科技攻关项目资助(092101210200,092101210201);教育部郑州大学“2l1”工程资助项目 作者简介:曾庆云(1984一),女,汉族,河南信阳人,硕士研究生。主要从事绿色过程工程与清洁生产技术的研究。 通讯联系人:任保增.博士,教授,E.mail:renbz@zzu.edu.cn --——366.-—— 合成化学 Vo1.18,2010 TMAH。电解法主要是以四甲基铵盐为电解原 料,在含有离子交换膜的电解槽中电解获得 TMAH。 本文以四甲基碳酸氢铵(1)为电解原料,采 用恒电流密度法电解合成TMAH。 1实验部分 将阳离子交换膜在0.5 tool・L 硫酸溶液中 浸泡8 h,用去离子水漂洗,然后在3%TMAH溶 液中浸泡一昼夜,用去离子水洗净,待用 J。 在聚丙烯材质的H型双极室电解槽中,以钛 基二氧化钌为阳极(菱形网孔,开孔率50%), 304不锈钢为阴极(表面钻小孔,开孔率24.6%), 阳极室装有c(1)为1 tool・L~一4 tool・L 的水 溶液200 mL,阴极室装有c("EVIAH)=0.3 mol・ L 卟 H水溶液200 mL,电流密度400 A・rn~一 1 200 A・m~,电解液温度3O℃一7O℃,恒电流 电解。分别考察不同离子膜类型,阳极液浓度 [c(1)],电流密度和电解液温度对电流效率及产 品纯度的影响。电解装置见图1。 2结果与讨论 2.1 电解原理 电解l制备TMAH是利用电解过程中水分 子在阳极失去电子而生成H 和0 ;H 与HCO; 反应生成CO:和H:0,游离出TMA ,而阴极室中 的H 0在阴极上得到电子析出H:后,游离出 OH一,在电场力的作用下,TMA 在离子膜的选择 渗透作用下到达阴极室,恰好与OH~结合生成 TMAH;随着通电量的增加,TMAH的浓度逐渐增 大,最终达到预期的浓度。生成的TMAH用标准 盐酸溶液以甲基橙为指示剂滴定。金属杂质离子 M(M=Ca ,K ,M ,Na )用ICP—MS分析。 2.2阳离子交换膜的选择 在隔膜电解中,阳离子交换膜的选择很重要, 为了保证获得良好的电流效率和较高纯度的产 品,该膜应该是TMA 离子可渗透,而HCO;和 OH一不可渗透的。另外,为了将电阻电压降至最 低,该膜应该具有优良的导电性l9】。 分别以旭化成F4403D,F4402,F4602和杜 邦Naifon117为阳离子交换膜,电解条件:阳极液c (1)=2.7 tool・L一,阴极液c(TMAH)=0.3 otol・ 图1 电解合成TMAH的装置示意图’ Figure 1 The set-up di8g啪of electrolytic synthesizing TMAH 1.直流稳压电源;2.电流表;3.导气管; 4.水银温度计;5.阴极;6.阳极;7.阳离子交换膜; 8.搅拌转子;9.磁力搅拌器;10.恒温水浴槽; 11.H型电解槽;12.超级恒温水浴槽 表1 阳离子交换膜对电流效率的影响’ Table 1 Effect of cation exchange membranes on current e ̄eieney ‘电解条件:阳极液c(1)=2.7 mol・L~,阴极液 c(TMAH)=0.3 mo]・L~,电解液温度50℃,电流 密度792 A・nl 表2 阳离子交换膜对c(M)的影响’ Table 2 Effect of cation exchange membranes on c(M) 电解条件同表1 L一,电解液温度50℃,电流密度792 A・in一,考 察阳离子交换膜对电流效率和产品纯度的影响, 结果见表1和表2。由表1可见,F4403D膜可以 得到较高的电流效率,明显优于其它三种膜。从 表2还可以看出,用F4403D膜电解的产品金属 离子的含量[c(M)]较低,纯度相对较高。因此 第3期 曾庆云等:电解四甲基碳酸氢铵制备四甲基氢氧化铵 本实验选择F4403D作阳离子交换膜 2.3 C(1)对电流效率的影响 流效率对温度比较敏感,随温度升高电流效率增加 较陕;但当温度超过50℃时,电流效率有所下降。 这是因为温度升高,离子的迁移速率加快,提高了 F4403D膜,其余电解条件同2.2,考察C(1) 对电流效率的影响,实验结果见图2。由图2可 见,电流效率随C(1)的增大先升高后降低,这是 因为随着c(1)的增大,单位时间内TMA 迁移量 电解液的电导率,从而提高电流效率;但在较高的 温度下,阳离子交换膜的孔径变大,导致OH一反 渗透到阳极室的量增大,从而导致电流效率降低。 增大,单位时间内通向阴极室的TMA 随之增加; 但由于磺酸基阳离子膜的亲水性,对阴极室OH一 的反渗透阻挡性差,随着C(1)的增大,电解后期 阴极室的C(TMA )越高,反渗透越强,电流效率 也越低。在c(1)=1.41 mol・L 时电流效率出 现最高值83.5%,C(1)在1.25 tool・L~一1.8 otol・L 都可得到较高的电流效率。 c(1)/tool・L 图2 c(1)对电流效率的影响’ Figure 2 Effect of C(1)on current efficiency ‘F4403D膜,其余电解条件同表1 TemperatureJ ̄C 图3 电解液温度对电流效率的影响‘ Figure 3 Effect of electrolytic liquid temperature on current efifciency F4403D膜,阳极液c(1)=1.41 tool・L~, 其余电解条件同图2 2.4 电解液温度对电流效率的影响 F4403D膜,c(1)=1.41 mol・L~,其余电解 条件同2.2,考察电解液温度对电流效率的影响, 结果见图3。由图3可见,电解液温度较低时,电 因此适宜的电解液温度为40 qC~60℃。 2.5 电流密度对电流效率的影响 F4403D膜,c(1)=1.41 mol・L。。,其余电解 条件同2.2,考察电流密度对电流效率的影响,结 果见图4。从图4可以看出,电流效率随电流密 度的增大而减小,这是由于随电流密度的增大,单 位时间内在电极表面析出的气体总量大,在电极 与电解液界面上,由于气泡的生长和附着,形成所 谓“气泡帘”,使电极活性面积减小,造成局部电 流密度增大,电流效率降低。同时在液相,由于电 解气泡的分散,使电解液成为气一液混合体系,因 而真实电导率下降,溶液的欧姆压降和电解槽工 作电压升高,增大了能耗,也造成电流效率降低。 ‘石 岙 芒 竺 8 Current density/A・In一 图4 电流密度对电流效率的影响’ Figure 4 Effect of current density on current efficiency ‘F4403D膜,阳极液c(1)=1.41 tool・L~, 其余电解条件同图2 3结论 在以四甲基碳酸氢铵(1)为原料制备四甲基 氢氧化铵(TMAH)的过程中,以旭化成F4403D 为阳离子交换膜,阴极液TMAH浓度为0.3 mol・L~,阳极液1浓度为1.41 tool・L~,电解 液温度5O℃,电流密度792 A・m~,电流效率可 达83。5%,金属离子含量小于5 ppm。该法工艺 简单,产品纯度高,而且在制备过程中污染少,是 一种绿色清洁的生产方法。 (转至第370页) .-——370--—— 合成化学 Vo1.18,2010 (C一0)cm~;MS m/z:470.8{[M+H] }。 1985. [3]A M Sandfine,A Christopher,Godowin et N to C 2结果与讨论 solid phase organic synthesis of peptidie and peptido- mimetic derivatives using 9-lfuorenylmethyl esters. 本实验采用多肽固相合成法,选用Wang树 Michal lebl and richard A Houghten.Pepfides:The 脂为固相载体,以Fmoc一为 一氨基保护基,HBTU— wave ofthe future[J].American Pepfide eSeiety,2001: HOBT为缩合剂,合成了丙戊酰酪氨酸二肽Tyr— 279—280. Tyr—VPA,粗产率86.7%,粗产物用RP.HPLC进 [4] Anne P L.Bloactive pepfides derived from bocine 行制备。实验中,为了增加产率和缩短反应时间, whey proteins:opioid and ace—inhibitory peptides 可以延长脱Fmoc.保护和缩合反应时间,使每次 [J].Trends in F0od Science&Technology,2000,11 洗涤时间减少至1 min。 (9一10):347—356. 不同的氨基酸保护基不同,需要选择不同的 [5]Johnston J I,Franz V L.Benin—anglotensin system:a dual tissue and hormonal systen for cardiovascular con- 脱侧链和树脂切割方法,2-VPA的树脂切割试剂 为TFA/三异丙基硅烷/水混合溶液。酪氨酸是疏 trol[J].Journal ofhypertension,1992,10:13-26. [6] wy、rratt M J,Patchen A A.Recent developments in 水性氨基酸,滤人冰乙醚之后不出现沉淀,可以直 the design of anglotensin converting enzyme inhibitom 接将冰乙醚旋蒸干,用甲醇溶解后进行反相 [J].Medicinal research reviews,1985,5:483—531. HPLC纯化。 [7]Moirglwa A,Kitabatake A,Fujimoto Y,et Angio- 本方法反应条件温和,收率较高。 tensin converting enzyme—inhibitory tirterpenes from G lucidum[J].Chemical&pharmaeeutila bulietin, 参考文献 1986.34:3025—3028. [8]罗恒,刘明忠,黄和勇,等.丙戊酸钠抑制肺癌细胞 [1]霍长虹,赵冬梅,张雅芳.组合化学中的固相合成 株A549增殖的研究[J].同济大学学报(医药版), 法[J].中国药物化学杂志,1998,8(3):228—234. 2009,30(2):38—43. [2]黄惟德,陈常庆.多肽合成[M].北京:科学出版社, (上接第367页) 参考文献 朱小晶,陈银生,张新胜.四甲基氢氧化铵的制备与 ternary ammonium hydroxides by electrolysis[P].US 4 提纯综述[J].江苏化工,2003,31(5):20—23. 578 161,1986. [2] Hiroshi Sugawara,Hiromi Hemrm.Application of [6]Aoyama.Method ofr prepairng aqueous quaternary am. TMAH erclamation in[SI/LCD manufacturing[J]. monium hydroxide solution[P].US 5 393 386,l995. Semiconductor Pure Water and Chemicals Confer- [7]刘雪莲.四甲基氢氧化铵绿色合成研究[D].郑州: ence,1999:295—308. 郑州大学,2006. 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