Способ электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к способам электрохимического окисления железа для получения реагента-окислителя феррата (VI) FeO₄^2-. В способе используют устройство для электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов с по меньшей мере двумя электрохимическими реакторами, каждый из которых состоит из вертикально расположенного внутреннего анода - цилиндрического стержня на основе железа, внешнего цилиндрического титанового катода и размещенной между ними цилиндрической керамической ионопроницаемой диафрагмой, которые образуют замкнутые объемы анодной и катодной камер электрохимического реактора за счет наличия у него верхних и нижних втулок, имеющих в нижней и верхней частях входы и выходы. При этом нижние входы анодных камер всех электрохимических реакторов соединены с нижним анодным коллектором, в который насосом-дозатором подают раствор гидроксида щелочного металла. Верхние выходы анодных камер всех электрохимических реакторов соединены с верхним анодным коллектором, из которого продукты электрохимического разложения водного раствора гидроксида щелочных металлов проходят через сепаратор, отделяющий газообразную и жидкую фазы продуктов электрохимического разложения. При этом газообразную фазу в виде кислорода отводят в атмосферу, а жидкую фазу, содержащую феррат щелочного металла, отводят для дальнейшего использования. Технический результат заключается в сокращении энергопотребления на единицу продукции и обеспечении получения феррата щелочных металлов в одну стадию путем разложения гидроксидов щелочных металлов в электрохимическом реакторе. 2 ил.

 

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к способам электрохимического окисления железа для получения реагента-окислителя феррата (VI) FeO₄^2-.

Из "Уровня техники" известен способ комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия с использованием устройства, включающего подключенные к источнику тока хлорный и ферратный электролизный блоки. Элементы устройства подключают к источнику постоянного тока. В анодную камеру из емкости подается соляной раствор, имеющий предельную концентрацию соли. Выделяющийся хлор попадает в сепаратор, где образуется анолит и где происходит всасывание верхней части этого аналита, содержащего наибольшую концентрацию хлора для дальнейшего практического потребления по прямому назначению, т.е. для процесса обеззараживания жидких сред, в частности питьевой или технической воды. Основная химическая реакция, происходящая на аноде: 2Cl^--2^е-→Cl2

В катодной камере, в которую из емкости подается водопроводная вода, происходит выработка раствора щелочи, а из сепаратора происходит отвод за пределы устройства образующегося в процессе электролиза водорода, отделяемого от раствора щелочи. Из сепаратора раствор щелочи подается в анодную камеру. Основная химическая реакция, происходящая в камере:

2H₂O+2^е-→Н₂+2ОН^-

Анодная камера предназначена для выработки феррата натрия, для чего в нее подают из сепаратора щелочь. В сепараторе происходит выделение образующегося в процессе электролиза кислорода и его удаление за пределы устройства. Раствор феррата натрия из сепаратора подают для дальнейшего использования по своему назначению в качестве окислителя и коагулянта (см. патент РФ №162651, кл. МПК С25В 9/08, опубл. 20.06.2016).

Существует следующая техническая проблема:

- электроды обоих электролизеров имеют плоские формы, а корпуса представляют коробчатую конструкцию, что приводит к образованию застойных зон в углах корпуса и не обеспечивает равномерного течения электролиза в объеме конструкции, что приводит к повышению электропотребления на единицу получаемого продукта;

- получение феррата щелочного металла проводится в две стадии с использованием двух электролизеров.

Задача настоящего изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в сокращении энергопотребления на единицу продукции и обеспечении получения феррата щелочных металлов в одну стадию путем разложения гидроксидов щелочных металлов в электрохимическом реакторе.

Технический результат обеспечивается тем, что способ электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов включает использование устройства для электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов, содержащего электрохимические реакторы, каждый из которых имеет анод, катод и ионопроницаемую диафрагму, подключение его к источнику электрического тока. В способе используют устройство для электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов с по меньшей мере двумя электрохимическими реакторами, каждый из которых состоит из вертикально расположенного внутреннего анода - цилиндрического стержня на основе железа, внешнего цилиндрического титанового катода и размещенной между ними цилиндрической керамической ионопроницаемой диафрагмой, которые образуют замкнутые объемы анодной и катодной камер электрохимического реактора за счет наличия у него верхних и нижних втулок, имеющих в нижней и верхней частях входы и выходы. При этом нижние входы анодных камер всех электрохимических реакторов соединены с нижним анодным коллектором, в который насосом-дозатором подают раствор гидроксида щелочного металла. Верхние выходы анодных камер всех электрохимических реакторов соединены с верхним анодным коллектором, из которого продукты электрохимического разложения водного раствора гидроксида щелочных металлов проходят через сепаратор, отделяющий газообразную и жидкую фазы продуктов электрохимического разложения. При этом газообразную фазу в виде кислорода отводят в атмосферу, а жидкую фазу, содержащую феррат щелочного металла, отводят для дальнейшего использования. Кроме того, одновременно другим насосом-дозатором через нижний катодный коллектор и нижние входы катодных камер подают раствор гидроксида щелочного металла. Верхние входы катодных камер всех электрохимических реакторов соединены с верхним катодным коллектором, из которого продукты электрохимического разложения подают в емкость сбора католита, где разделяют на газообразную и жидкую фазу, при этом газообразную фазу в виде водорода выводят в атмосферу, а жидкую фазу в виде гидроокиси щелочного металла направляют на вторичную переработку и сливают в емкость рабочего раствора гидроксида щелочного металла. Кроме того, устройство для электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов имеет два насоса-дозатора, которые обеспечивают раздельную подачу рабочего раствора гидроксида щелочного металла в анодные и катодные камеры электрохимических реакторов.

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

На фиг. 1 представлен электрохимический реактор.

На фиг. 2 представлена гидравлическая схема установки для электрохимической обработки раствора гидроксида щелочного металла (в частности калия или натрия).

На иллюстрации отображены следующие конструктивные элементы:

1 - анод,

2 - катод,

3 - диафрагма,

4 - катодная камера,

5 - анодная камера,

6 - анодная втулка,

7 - катодная втулка,

8, 9 - клеммы,

10 - анодные штуцеры,

11 - катодные штуцеры.

В способе используют устройство для электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов, которое включает по меньшей мере два (от двух до двенадцати) электрохимических реактора. При этом каждый электрохимический реактор состоит из внутреннего цилиндрического стержня на основе железа анода 1, внешнего трубчатого титанового катода 2 и размещенной между ними трубчатой керамической ионопроницаемой диафрагмы 3. Нижние и верхние концы электродов 1, 2 и ионопроницаемых диафрагм 3 закрыты катодными и анодными втулками 6, 7, благодаря которым образованы замкнутые анодная и катодная камеры 4, 5. Камеры 4, 5 имеют сверху и снизу отдельные анодные входные и выходные штуцеры 10 и катодные входные и выходные штуцеры 11. На контактные клеммы 8, 9 подается электропитание.

Нижние входы анодных камер 4 всех электрохимических реакторов штуцерами 10 соединены с нижним анодным коллектором, а верхние выходы анодных камер 4 всех электрохимических реакторов соединены штуцерами 10 с верхним анодным коллектором, верхние входы катодных камер 5 всех электрохимических реакторов соединены катодными штуцерами 11 с верхним катодным коллектором, а нижние входы катодных камер 5 всех электрохимических реакторов соединены катодными штуцерами 11 с нижним катодным коллектором. Кроме того, анодные и катодные камеры 4, 5 выполнены с возможностью раздельной подачи в них рабочего раствора гидроксида щелочного металла с помощью двух насосов-дозаторов.

Выполнение устройства с электродами и мембранной цилиндрической формы с возможностью раздельной подачи в анодную и катодную камеры 4, 5 рабочего раствора гидроксида щелочного металла с помощью двух насосов-дозаторов исключает образование застойных зон в реакторе, что обеспечивает равномерное течение электролиза в объеме конструкции всего устройства.

Установка содержит предпочтительно два электрохимических реактора Р₁-P_i. Анодные камеры электрохимических реакторов P₁-P_i верхними штуцерами соединяются с коллектором анодным верхним КАВ, а нижними штуцерами - с коллектором анодным нижним КАН.

Катодные камеры электрохимических реакторов P₁-P_i верхними штуцерами соединяются с коллектором катодным верхним ККВ, а нижними штуцерами - с коллектором катодным нижним ККН.

Перед подачей электропитания для электрохимической обработки раствора гидроксида щелочного металла анодные и катодные камеры электрохимических реакторов P₁-P_i заполняют этим раствором через нижние коллекторы КАН и ККН с помощью насосов-дозаторов НД1, НД2.

Продукты электрохимического разложения из анодных камер реакторов через коллектор анодный верхний поступают в сепаратор газ-жидкость СГЖ и разделяются там на газообразную фазу (кислород, который поступает в атмосферу) и жидкую фазу, содержащую феррат щелочного металла и FeO₄^2-, направляемый для дальнейшего использования в качестве коагулята.

Продукты катодного разложения раствора электролита из катодных камер электрохимических реакторов P₁-P_i через коллектор катодный верхний ККВ поступает в сепаратор ЕК, где разделяются на газообразную фазу (водород, который выделяется в атмосферу) и жидкую фазу, содержащую водный раствор гидроксида щелочного металла, которая подается на вторичную переработку и сливается в емкость с рабочим раствором гидроксида.

Способ электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов, включающий использование устройства для электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов, содержащего электрохимические реакторы, каждый из которых имеет анод, катод и ионопроницаемую диафрагму, подключение его к источнику электрического тока, отличающийся тем, что в способе используют устройство для электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов с по меньшей мере двумя электрохимическими реакторами, каждый из которых состоит из вертикально расположенного внутреннего анода - цилиндрического стержня на основе железа, внешнего цилиндрического титанового катода и размещенной между ними цилиндрической керамической ионопроницаемой диафрагмой, которые образуют замкнутые объемы анодной и катодной камер электрохимического реактора за счет наличия у него верхних и нижних втулок, имеющих в нижней и верхней частях входы и выходы, при этом нижние входы анодных камер всех электрохимических реакторов соединены с нижним анодным коллектором, в который насосом-дозатором подают раствор гидроксида щелочного металла, а верхние выходы анодных камер всех электрохимических реакторов соединены с верхним анодным коллектором, из которого продукты электрохимического разложения водного раствора гидроксида щелочных металлов проходят через сепаратор, отделяющий газообразную и жидкую фазы продуктов электрохимического разложения, при этом газообразную фазу в виде кислорода отводят в атмосферу, а жидкую фазу, содержащую феррат щелочного металла, отводят для дальнейшего использования, кроме того, одновременно другим насосом-дозатором через нижний катодный коллектор и нижние входы катодных камер подают раствор гидроксида щелочного металла, верхние входы катодных камер всех электрохимических реакторов соединены с верхним катодным коллектором, из которого продукты электрохимического разложения подают в емкость сбора католита, где разделяют на газообразную и жидкую фазу, при этом газообразную фазу в виде водорода выводят в атмосферу, а жидкую фазу в виде гидроокиси щелочного металла направляют на вторичную переработку и сливают в емкость рабочего раствора гидроксида щелочного металла, кроме того, устройство для электрохимического синтеза ферратов щелочных металлов имеет два насоса-дозатора, которые обеспечивают раздельную подачу рабочего раствора гидроксида щелочного металла в анодные и катодные камеры электрохимических реакторов.