Способ получения электролитического гипохлорита натрия
Владельцы патента RU 2722175:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к способу получения электролитического гипохлорита натрия электролизом природной минерализованной воды. Способ характеризуется тем, что перед электролизом воду подвергают ультразвуковому воздействию продолжительностью 15 минут с частотой 42 кГц, ультразвуковой мощностью 50 Вт, интенсивностью 5 Вт/см2 в ультразвуковом реакторе. Использование в качестве электролита природных подземных вод позволяет отказаться от этапа искусственного приготовления хлоридного раствора, что упрощает технологию получения дезинфектанта на месте его потребления и снижает эксплуатационные затраты. 1 ил., 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к технологии получения электрохимического гипохлорита натрия, который обладает сильным окислительным действием, используется для обеззараживания бытовых, промышленных сточных вод, а также при подготовке питьевой воды.
Известен способ получения гипохлорита натрия (NaОCl) путем пропускания газообразного хлора (Cl2) через насыщенный раствор гидроксида натрия (NaOH) (Губер Ф., Шмайсер М, Шенк П.В., Фехер Ф., Штойдель Р., Клемент Р. Руководство по неорганическому синтезу: в 6 томах // Перевод с немецкого / Под редакцией Г. Брауэра. - М.: Мир, 1985. - Т. 2. - С. 355-356).
Недостатком известного способа является неустойчивость соединения в свободном состоянии, большой уровень загрязнений хлорорганикой, характерный резкий запах и высокие коррозионные свойства.
Известен способ получения гипохлорита натрия, состоящего из смеси активных ионов натрия и оксидов хлора, образующихся при электролизе водного раствора хлорида натрия. При этом, ионы оксидов хлора (ClO-), взаимодействуя с ионами натрия (Na+), образуют гипохлорит и продукты электролиза, которые свободно смешиваются в электрохимическом процессе (Гипохлориты // Химическая энциклопедия / Главный редактор И.Л. Кнунянц. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1. - С. 1121-1122).
К недостатку способа можно отнести низкую экономическую эффективность и большие затраты энергоресурсов при невысоком выходе целевого продукта.
Известен способ проведения электролиза солевого раствора, к которому добавляют жидкий агент (гипохлорит натрия) с последующим электролизом, что позволяет снизить расход водного раствора соли и электроэнергии (RU №2361966, МПК С25В 1/26, опубл. 20.07.2009).
К недостатку известного способа следует отнести низкое качество водоподготовки и невозможность получения гипохлорита с высокой концентрацией активного хлора в растворе. Это вызвано тем, что процесс активации связан только с получением озоно-воздушной смеси, путем создания электрического поля в воздушной среде между электродами напряжением 80-100 кВ, которая вызывает гибель микроорганизмов, окисление примесных включений и облегчает процесс очистки. Однако известный процесс не приводит к структурным изменениям воды.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения раствора гипохлорита натрия на месте потребления путем электролиза природных электролитов - подземных минерализованных и морских вод. При реализации данного способа эксплуатационные расходы определяются, в основном, затратами электроэнергии. Поэтому, с целью снижения энергетических затрат, процесс проводят в направлении получения слабоконцентрированных растворов гипохлорита натрия с содержанием активного хлора 0,2÷1,0 г/л. При реализации данной схемы электролит без какой-либо предварительной обработки с заданным расходом подается на электролизную установку, а затем в бак-накопитель гипохлорита натрия или прямо в обрабатываемые системы (Г.Л. Медриш, А.А. Тейшева, Д.Л. Басин. «Обеззараживание природных и сточных вод с использованием электролиза», М., Стройиздат, 1982).
Недостатком данного способа является получение слабоконцентрированных растворов гипохлорита натрия с низкой реакционной способностью, неоднородность электролита, требующая усреднения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в воздействии ультразвука на подземную солесодержащую воду и сопровождается образованием микроскопических газовых включений, которые способны надтепловым путем, т. е. без нагрева, изменить химические свойства воды. Надтепловой механизм передачи энергии делает их экономичнее термических. В результате взаимодействия ультразвуковых волн с водой возникает сонохимическое действие, включающее обеззараживание, нагрев, диспергирование, кавитацию. При расширении кавитационных пузырьков-зародышей, попадающих в область пониженного давления, в пузырек испаряется вода и диффундирует растворенный в воде кислород. При распространении ультразвуковой волны в воде, содержащей ионы солей (хлорид натрия и др.), амплитуды и фазы колебаний разноименно заряженных частиц различны. В водной среде возникает переменный электрический потенциал - вибропотенциал, который для хлорида натрия в воде равен 3-10 мкВ⋅с/см. Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук инициирует химические реакции, приводит к интенсивному и более полному растворению натриевой соли, что существенно усиливает активирующее воздействие и оказывает влияние на характер изменения концентрации обрабатываемой воды. При обработке ультразвуком происходит интенсивное перемешивание воды, что приводит к усредненной концентрации веществ во всем объеме обрабатываемой воды. Таким образом, решается проблема неоднородности распределения хлорсодержащих веществ в обрабатываемой воде. Присутствие в воде значительного количества ионов, способных проводить электричество, высокая гомогенность водной системы приводят к изменению режима последующего электролиза (отсутствию пульсаций тока) и получению гипохлорита натрия с высокой реакционной способностью. Все это вызвано образованием в воде большого количества активных частиц.
Пример. Для повышения выхода продуктов электролиза и увеличения активности гипохлорита натрия природную подземную минерализованную воду с концентрацией хлоридов 49,6 г/л подвергают воздействию ультразвука продолжительностью 15минут с частотой 42кГц (ультразвуковая мощность 50 Вт), интенсивностью 5 Вт/см2 в ультразвуковом реакторе, а затем осуществляют электролиз в разных режимах обработки (при силе тока 2А продолжительностью 17 мин. и при силе тока 4А продолжительностью 25 минут).
Ультразвуковое воздействие приводит к структурным преобразованиям, изменению энергетического состояния хлора и его производных, способствует переходу молекул и компонентов воды в электронно-возбужденное состояние с образованием активных частиц, обеспечивающих инициирование химических превращений с получением гипохлорита натрия в последующем процессе электролиза воды.
Результаты исследования приведены в таблице. В воде неактивированной ультразвуком концентрация активного хлора ниже в 1,46-1,50 раза по сравнению с гипохлоритом, полученным из воды, прошедшей обработку ультразвуком. При ультразвуковой обработке гидратация ионов является главной причиной электролитической диссоциации в воде, вызывая изменение ее макроскопических свойств с образованием новых пар ионов гипохлорита. При этом гипохлорит обладает более высокой химической активностью. Это обусловлено реакциями возбужденных молекул, которые, неся в себе избыточную энергию, вызывают увеличение числа активных частиц (Таблица).
Использование изобретения открывает возможность получать безреагентным способом гипохлорит натрия с увеличенным выходом целевого продукта. Использование в качестве электролита природных подземных вод позволяет отказаться от этапа искусственного приготовления хлоридного раствора, что упрощает технологию получения дезинфектанта на месте его потребления и снижает эксплуатационные затраты. В конечном итоге предлагаемая безреагентная технология позволяет экономить энергию, наиболее эффективно использовать природные ресурсы, а именно подземные минерализованные воды, что в целом приводит к значительной экономии средств.
Таблица
Результаты исследований по получению электролизного гипохлорита натрия с применением ультразвука
| Проба Показатели |
Исходная вода с исходной концентрацией хлоридов - 49,6 г/л |
| «Холостая» проба | Проба, обработанная ультразвуком (продолжительность воздействия 15 минут) |
| Концентрация активного хлора в гипохлорите натрия, г/л | При условиях обработки электролизом: Т = 17 мин, I = 2 A |
| 2,84 | 4,25 |
| При условиях обработки электролизом: Т = 25 мин, I = 4 A |
|
| 4,61 | 6,74 |
Способ получения электролитического гипохлорита натрия электролизом природной минерализованной воды, отличающийся тем, что перед электролизом воду подвергают ультразвуковому воздействию продолжительностью 15 минут с частотой 42 кГц, ультразвуковой мощностью 50 Вт, интенсивностью 5 Вт/см2 в ультразвуковом реакторе.
