Способ получения раствора гипохлорита щелочного металла и электролизер для его осуществления

 

Изобретение относится к электрохимическому синтезу неорганических продуктов. Предложен способ получения раствора гипохлорита щелочного металла, включающий электролиз раствора хлорида соответствующего металла в электролизере с сепарационной перегородкой с образованием хлора в анодной камере и гидроксида щелочного металла в катодной камере, причем питающий раствор хлорида щелочного металла получают в дополнительной камере электролизера растворением в воде твердого хлорида щелочного металла, отделенной от анодной камеры перегородкой с переливным отверстием. Хлор из анодной камеры направляют на смешение с раствором гидроксида щелочного металла во вторую дополнительную камеру электролизера. Предложен также электролизер для получения раствора гипохлорита щелочного металла. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электрохимическому синтезу неорганических продуктов, в частности к процессам получения раствора гипохлорита натрия, который может использоваться в качестве окислителя для обработки промышленных и бытовых стоков, а также как дезинфицирующее и отбеливающее средство.

Известен способ получения раствора гипохлорита щелочных металлов путем электролиза раствора хлорида соответствующего металла с концентрацией 5-120 г/л с графитовым катодом и при периодическом реверсировании тока, причем в качестве анода используют титановый электрод с покрытием, содержащим диоксид рутения. Электролиз до реверсирования тока ведут при плотности тока 1-2 кА/м² в течение 0,6-7 сут, а к моменту реверсирования плотность тока устанавливают 70-100 А/м² и разбавляют электролит в 300-400 раз, после чего проводят реверсирование тока и электролиз ведут в течение 0,5-4 ч. Устройство для реализации предложенного способа представляет собой корпус, внутри которого помещены графитовый катод и анод из титана, активированный диоксидом рутения. По сути данное устройство представляет собой бездиафрагменный электролизер. Недостатком известного способа является низкая концентрация получаемого раствора гипохлорита щелочного металла (до 10-12 г/л), необходимость периодичности процесса, что снижает производительность устройства, реверсирование тока приводит к разрушению активного анодного покрытия, содержащего благородные металлы (диоксид рутения). Использование графита для катодов ограничивает срок их службы из-за разрушения графита в период реверсирования тока. Процесс характеризуется высокими затратами электроэнергии: при плотности тока 1,5 кА/м² напряжение на электролизере составляет 6 В.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения раствора гипохлорита натрия электролизом раствора хлорида натрия в анодном пространстве электролизера с диафрагмой, причем раствор хлорида натрия перед электролизом подщелачивают до pH 8-11 и электролиз ведут до достижения pH в растворе анодного пространства 1-4. Электролиз проводят при плотности тока 0,15 кА/м² и напряжении 4 В. В конце цикла электролиза (после достижения pH 1-4) через 20-30 мин концентрация раствора гипохлорита натрия составляет 0,7-1,2 г/л. Наиболее близким устройством для получения раствора гипохлорита щелочного металла является электролизер, включающий корпус, в котором размещены анод и катод, разделенные диафрагмой. Недостатком известного способа является крайне низкая концентрация гипохлорита щелочного металла в готовом продукте, а также периодичность процесса. Также крайне низка степень конверсии хлорида щелочного металла в гипохлорит (при исходной концентрации раствора хлорида натрия 300 г/л получают раствор с содержанием "активного" хлора всего 0,7-1,2 г/л), т.е. готовый продукт является высококонцентрированным раствором хлорида натрия с относительно небольшим содержанием "активного" хлора. Использование низких плотностей тока существенно ограничивает производительность электролизера.

Для устранения указанных недостатков предложен способ получения раствора гипохлорита щелочного металла, включающий электролиз раствора хлорида соответствующего металла в электролизере с сепарационной перегородкой, с образованием хлора в анодной камере и гидроксида щелочного металла в катодной камере, причем питающий раствор хлорида щелочного металла получают в дополнительной камере электролизера растворением в воде твердого хлорида щелочного металла, отделенной от анодной камеры перегородкой с переливным отверстием. Хлор из анодной камеры направляют на смешение с раствором гидроксида щелочного металла во вторую дополнительную камеру электролизера, имеющую общую перегородку с переливным отверстием с катодной камерой, из этой же камеры выводят раствор гипохлорита щелочного металла. Электролиз ведут при анодной плотности тока 0,8-2,5 кА/м² при температуре 30-50^оС и при одновременной подаче воды на растворение твердого хлорида щелочного металла и в катодную камеру с суммарной скоростью потока 2,8-6,2 мл/с на каждый килоампер токовой нагрузки на электролизере.

Предложен также электролизер для получения раствора гипохлорита щелочного металла, включающий корпус с сепарационной перегородкой с образованием катодной и анодной камер. Электролизер дополнительно включает три камеры, в одной из которых помещен твердый хлорид щелочного металла и в ее перегородках выполнены отверстие для сообщения с анодной камерой и канал для подачи воды, вторая камера имеет общую перегородку с катодной и анодной камерами, в которой выполнены каналы для подачи хлора и раствора гидроксида щелочного металла, в другой перегородке этой же камеры имеется переливное отверстие для сообщения с третьей дополнительной камерой. Последняя снабжена патрубком для вывода раствора гипохлорида щелочного металла и каналом для создания в ней вакуума, катодная камера дополнительно снабжена патрубком для подачи воды. Анод электролизера выполнен из титана, активированного диоксидами рутения и титана. В качестве сепарационной перегородки может быть использована диафрагма, выполненная из инертного материала, например из гидрофилизированных волокон фторполимера, или ионообменная мембрана.

Сущность способа получения раствора гипохлорита щелочного металла следующая. Твердый хлорид щелочного металла помещают в дополнительную (солевую) камеру электролизера. В эту же камеру, а также в катодную камеру подают воду с суммарным потоком 2,8-6,2 л/скА. Из солевой камеры обеспечивается перелив питающего раствора хлорида щелочного металла в анодную камеру электролизера. В анодной камере электролизера на аноде генерируется газообpазный хлор, а электролит через сепарационную перегородку, например диафрагму, фильтруется в катодную камеру. Хлор с помощью вакуума передают в другую дополнительную (поглотительную) камеру, в которой за счет взаимодействия газообразного хлора и электролитической щелочи получают раствор гипохлорита щелочного металла. В катодной камере нарабатывается раствор электролитической щелочи (гидроксид щелочного металла), который через переливное отверстие поступает во вторую дополнительную камеру. Раствор гипохлорита через переливное отверстие в перегородке, отделяющей эту и третью дополнительную (камера сбора готового продукта) камеры, поступает в камеру сбора готового продукта. Из этой камеры соответственно выводят раствор гипохлорита щелочного металла.

При реализации данного способа возможно получение раствора гипохлорита щелочного металла с содержанием "активного" хлора 50-80 г/л. Это соответствует некоторым товарным формам раствора гипохлорита для целей дезинфекции и отбеливания. При увеличении потока подаваемой воды возможно получение более низких концентраций гипохлорита щелочного металла. Выход по току составляет не менее 80% Напряжение на электролизере 3,6-4,9 В. Расход соли не превышает 1,56-1,60 г хлорида натрия /г гипохлорита натрия.

Повышение рабочей плотности тока больше 2,5 кА/м² неоправданно из возрастания удельных затрат электроэнергии на получение гипохлорита щелочного металла. Уменьшение плотности тока ниже 0,5 кА/м² снижает выход по току гипохлорита щелочного металла, что может быть связано с ухудшением качества генерируемого на аноде электролитического хлора.

Уменьшение температуры процесса ниже 30^оС и повышение подачи воды на растворение хлорида щелочного металла выше 6,2 л/скА приводит к возрастанию напряжения на электролизере. Повышение рабочей температуры выше 50^оС приводит к снижению выхода по току гипохлорита, что может быть связано с увеличением скорости протекания побочного процесса образования хлората щелочного металла.

Уменьшение скорости подачи воды ниже 2,8 л/скА также приводит к уменьшению выхода по току и может привести к образованию осадков твердой соли, что в свою очередь приводит к нарушению режима процесса.

На чертеже представлен электpолизер для получения раствора гипохлорита щелочного металла, который содержит корпус 1, анод 2, сепарационную перегородку 3, катод 4, анодную камеру 5, катодную камеру 6, канал для подачи воды 7, патрубок для вывода воды после эжектора 8, камеру с эжектором 9, патрубок для подачи воды в эжектор 10, канал для подачи хлора 11, дополнительные камеры 12, 13, патрубок для вывода раствора гипохлорита 14, переливное отверстие 15, канал для подачи раствора гидроксида 16, отверстие для сообщения с анодной камерой 17, канал для создания вакуума 18, камеру для твердого хлорида 19 и канал 20 для подачи воды в катодную камеру.

Электролизер включает герметичный корпус 1 с анодом 2, сепарационной перегородкой 3 и катодом 4 с образованием анодной 5 и катодной 6 камер. Катодная камера соединена с каналом 20 для подачи воды. Электролизер дополнительно снабжен тремя камерами 12, 13 и 19. В солевой камере 19 помещен твердый хлорид щелочного металла, а в ее перегородках выполнены отверстие 17 для сообщения с анодной камерой и канал 7 для подачи воды. Другая камера (поглотительная) 12 имеет общую перегородку с катодной и анодной камерами, в которой выполнены канал для подачи хлора 11, сообщающийся с диспергатором хлора, канал для подачи раствора гидроксида щелочного металла 16 и канал 18 для создания вакуума в камере 12. В другой перегородке камеры 12 выполнено переливное отверстие 15 для сообщения с третьей дополнительной камерой 13 (камера сбора готового продукта). Последняя снабжена патрубком 14 для вывода раствора гипохлорита щелочного металла.

В качестве устройства для создания вакуума может быть использован эжектор с патрубком для подачи воды 10, работающий с помощью потока воды по принципу водоструйного насоса. Эжектор размещен в камере 9, которая снабжена патрубком 8 для вывода воды после эжектора и каналом 20 для подачи воды в катодную камеру 6. Этот же поток воды способствует обеспечению оптимального температурного режима электролиза и исключает проскоки электролитического газообразного хлора из электролизера.

П р и м е р 1. В солевую камеру электролизера помещают твердый хлорид натрия. В эту же камеру подают воду со скоростью 3,5 л/скА. Полученный раствор хлорида натрия направляют в анодную камеру, далее через диафрагму он фильтруется в катодную камеру. На электроды подают электрический ток, обеспечивающий плотность тока 1,4 мА/м². Электролиз ведут при температуре 42^оС. Из электролизера выводят раствор гипохлорита натрия с концентрацией 71 г/л. Выход по току 86% Напряжение на электролизере 3,7 В. Расход соли 1,56 г NaCl/г NaClO.

П р и м е р 2. В солевую камеру электролизера помещают твердый хлорид калия. В эту же камеру подают воду со скоростью 2,8 л/скА. Полученный раствор хлорида калия направляют в анодную камеру, далее через диафрагму он фильтруется в катодную камеру. На электроды подают электрический ток, обеспечивающий плотность тока 2,0 кА/м². Электролиз ведут при температуре 50^оС. Из электролизера выводят раствор гипохлорита калия с концентрацией 80 г/л. Выход по току 84% Напряжение на электролизере 3,6 В.

Таким образом, изобретение по сравнению с известными позволяет обеспечить получение раствора гипохлоритов щелочных металлов с высоким содержанием "активного" хлора, при этом также обеспечиваются достаточно высокие электрохимические показатели, непрерывность процесса электролиза и достигается высокая степень конверсии хлорида щелочного металла в соответствующий гипохлорит.

Формула изобретения

1. Способ получения раствора гипохлорита щелочного металла, включающий электролиз раствора хлорида соответствующего металла в электролизере с сепарационной перегородкой с образованием хлора в анодной камере и гидроксида щелочного металла в катодной камере, отличающийся тем, что питающий раствор хлорида щелочного металла получают в дополнительной камере электролизера растворением в воде твердого хлорида щелочного металла, отделенной от анодной камеры перегородкой с переливным отверстием, хлор из анодной камеры направлят на смешение с раствором гидроксида щелочного металла во вторую дополнительную камеру электролизера, имеющую общую перегородку с переливным отверстием с катодной камерой, из той же камеры выводят раствор гипохлорита щелочного металла, электролиз ведут при анодной плотности тока 0,8 2,5 кА/м² при 30 50^oС и при одновременной подаче воды на растворение твердого хлорида натрия и в катодную камеру с суммарной скоростью потока 2,8 6,2 мл/с на каждый килоампер токовой нагрузки на электролизере.

2. Электролизер для получения раствора гипохлорита щелочного металла, включающий корпус с сепарационной перегородкой с образованием катодной и анодной камер, отличающийся тем, что электролизер дополнительно включает три камеры, в одной из которых помещен твердый хлорид щелочного металла и в ее перегородках выполнены отверстие для сообщения с анодной камерой и канал для подачи воды, вторая камера имеет общую перегородку с катодной и анодной камерами, в которой выполнены каналы для подачи хлора и раствора гидроксида щелочного металла, и снабжена устройством для создания в ней вакуума, в другой перегородке этой же камеры выполнено переливное отверстие для сообщения с третьей дополнительной камерой, последняя снабжена патрубком для вывода раствора гипохлорита щелочного металла, катодная камера дополнительно снабжена патрубком для подачи воды.

3. Электролизер по п.2, отличающийся тем, что устройство для создания вакуума выполнено в виде камеры с эжектором.

РИСУНКИ

Рисунок 1