ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОКИСЛЯЮЩИХ РАСТВОРОВ
ELECTROLYTIC CELL FOR PRODUCING OXIDISING SOLUTIONS

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к трехкамерной электролитической ячейке для производства окисляющих растворов, обладающих дезинфицирующей способностью и содержащих активный хлор.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Salmonella
Escherichia coli
-1
-1
Известно использование слабокислых растворов, содержащих активный хлор, главным образом в форме гипохлористой кислоты, в различных процессах дезинфекции, принадлежащих к разным отраслям промышленности, включая здравоохранение и гигиену; например, в пищевой промышленности растворы такого типа применяют для уничтожения патогенных бактерий, таких как  или , в цикле изготовления разнообразных пищевых продуктов. Непрерывное производство растворов, содержащих свободный активный хлор в надлежащей концентрации (например, 50–100 частей на миллион, млн), может осуществляться электролитическим методом в неразделенных или двухкамерных ячейках, т.е. в ячейках, разделенных полупроницаемой диафрагмой или катионообменной мембраной и снабжаемых рассолом хлорида щелочного металла; в последнем случае целевой раствор образуется в анодной камере, тогда как в соответствующей катодной камере образуется щелочной раствор с достаточными очищающими свойствами. Однако в таких системах соленость готового анодного продукта слишком высока для использования во многих типичных областях применения (пищевая промышленность, больницы, сельское хозяйство). Анодный продукт наивысшего качества может быть получен в электролитической ячейке, оборудованной тремя камерами, при циркуляции концентрированного рассола в промежуточной камере, отделенной от катодной камеры катионообменной мембраной и от анодной камеры – анионообменной мембраной. Указанный выбор сепараторов обеспечивает селективную миграцию ионов натрия в катодную камеру, где образуется разбавленный щелочной раствор (например, 50-100 млнкаустической соды, когда рассол образован из хлорида натрия), а хлорид-ионов – в анодную камеру, где образуется хлор. Однако ни одна из имеющихся в продаже анодных мембран не способна выдерживать воздействие хлорсодержащих кислых растворов в течении более чем нескольких десятков часов, несмотря на заявленную стойкость к окислителям; следовательно, стоимость технического обслуживания по замене анионных мембран трехкамерных ячеек делает их малопригодными для нужд промышленности.
Таким образом, была выявлена потребность в обеспечении электролитической ячейки для производства кислых растворов, содержащих активный хлор, позволяющей преодолеть недостатки уровня техники, особенно с точки зрения срока службы ее компонентов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Различные аспекты изобретения изложены в прилагаемой формуле изобретения. По одному из своих аспектов изобретение относится к электролитической ячейке для производства окисляющих растворов с дезинфицирующими свойствам, включающей анодную камеру и катодную камеру с расположенной между ними промежуточной камерой, ограниченной анодным сепаратором и катодным сепаратором; при этом катодный сепаратор, который отделяет катодную камеру от промежуточной камеры, состоит из катионообменной мембраны, тогда как анодный сепаратор, который отделяет анодную камеру от промежуточной камеры, содержит диафрагму, состоящую из сетки из волокон органического полимера, механически связанных с частицами керамического материала. В одном из вариантов осуществления диафрагма, используемая в качестве анодного сепаратора, наложена на или иным образом размещена в тесном контакте с анионообменной мембраной. В одном из вариантов осуществления диафрагма образована из композиционной ленты из перфторированного полимера и оксида циркония толщиной в диапазоне от 0,1 до 1 мм, например, аналогичной продукту, выпущенному на рынок компанией Industrie De Nora под товарным знаком Polyramix Tape. Материалу этого типа свойственно преимущество пригодности для размещения в виде множественных наложенных друг на друга слоев до получения нужной толщины; кроме того, он может как непосредственно выполнять функцию сепаратора, так и может быть непосредственно наложен либо на обе стороны анионообменной мембраны, либо на одну из ее сторон, которая в одном из вариантов осуществления является стороной, обращенной к анодной камере. Диафрагмы такого рода могут быть получены путем осаждения в виде тонких листов суспендированных полимерных волокон, в которые ранее были механически вдавлены керамические частицы, с последующим спеканием и гидратацией. Осаждение может иметь место в соответствии с процедурами, типичными для бумажной промышленности (например, путем фильтрации на надлежащей пористой матрице). Такие диафрагмы неожиданно оказались способными придавать характеристики высокой химической стойкости самым обыкновенными анионообменным мембранам, при этом повышая их селективность. В одном из вариантов осуществления анодная камера снабжена средством подачи умягченной воды, например, воды, жесткость которой не превышает 7°f (французский градус жесткости), и средством отведения слабокислого окисляющего раствора, например, с рН от 4 до 6,9, содержащего свободный активный хлор; катодная камера снабжена средством подачи умягченной воды, как и анодная камера, и средством отведения щелочного католита, например, раствора каустической соды с рН от 9 до 11; промежуточная камера снабжена средством рециркуляции рассола хлорида щелочного металла, например, насыщенного раствора хлорида натрия.
2
3
4
2
3
4
По другому аспекту изобретение относится к способу производства содержащего активный хлор окисляющего раствора с дезинфицирующей способностью в описанной выше ячейке, включающему подачу воды, необязательно умягченной воды с жесткостью, не превышающей 7°f, в анодную камеру и, необязательно, катодную камеру, рециркуляцию рассола хлорида щелочного металла, необязательно, насыщенного водного раствора хлорида натрия, через промежуточную камеру, подачу постоянного электрического тока между анодной камерой, соединенной с положительным полюсом блока электропитания, и катодной камерой, соединенной с его отрицательным полюсом, и отведение продукта – окисляющего раствора из анодной камеры. В одном из вариантов осуществления рециркуляцию рассола хлорида щелочного металла через промежуточную камеру осуществляют через внешний резервуар, содержащий катализатор разложения, например, на основе RuO или СоО. Преимуществом этого является снижение содержания свободного хлора в промежуточной камере, что содействует защите анионообменной мембраны, особенно в том случае, когда полимерная диафрагма наложена только на сторону мембраны, обращенную к анодной камере. Катализатор на основе RuO или СоО особенно хорошо подходит для указанной цели, так как он может быть введен в резервуаре в виде каталитического покрытия, нанесенного на подходящие его компоненты, например, на пластины, изготовленные из титана или другого пригодного материала, помещенные в резервуар. Могут быть использованы и другие катализаторы разложения, способные снижать уровни содержания свободного хлора в рециркулируемом рассоле, что не выходит за рамки объема настоящего изобретения.
Далее со ссылкой на прилагаемый чертеж будут описаны некоторые варианты осуществления, иллюстрирующие изобретение, целью чего является лишь пояснение взаимного расположения различных элементов относительно указанных конкретных вариантов реализации изобретения; в частности, чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
На фиг. 1 представлена схема электролитической ячейки согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
100
200
400
300
200
250
300
321
320
200
400
450
300
340
600
300
510
500
500
На фиг. 1 показан вид сбоку электролитической ячейки  согласно одному из вариантов осуществления изобретения, подразделенной на три камеры, соответственно представляющие собой анодную камеру  и катодную камеру  с расположенной между ними промежуточной камерой . Анодная камера  содержит анод  и отделена от промежуточной камеры  посредством полимерной диафрагмы , наложенной на анионообменную мембрану  со стороны, обращенной к анодной камере . Катодная камера  содержит катод  и отделена от промежуточной камеры  посредством катионообменной мембраны . Герметизация между разными камерами обеспечивается посредством системы уплотнений . В промежуточной камере  насыщенный раствор хлорида натрия или рассол  хлорида щелочного металла другого типа рециркулируют с помощью резервуара . Внутри резервуара  необязательно содержится катализатор разложения, например, диоксид рутения, нанесенный в виде покрытия на металлическую деталь (на показано).
200
210
220
400
410
210
410
200
400
210
200
400
420
В анодную камеру  подают умягченную воду  при помощи надлежащего средства подачи (не показано); из этой же камеры отводят продукт – окисляющий раствор , содержащий свободный активный хлор, со слабокислым рН. В катодную камеру  также подают умягченную воду ; в одном из вариантов осуществления подача умягченной воды  и  в анодную камеру  (далее – анолит) и катодную камеру  (далее – католит), соответственно, объединены. В другом варианте осуществления умягченную воду  подают только в анодную камеру . Из катодной камеры  отводят разбавленный щелочной раствор  с пренебрежимо малой соленостью, пригодный для использования в качестве очищающего средства со многими вариантами применения в промышленности.
Нижеследующие примеры приведены для того, чтобы продемонстрировать конкретные варианты осуществления изобретения, реализуемость которых была в значительной степени подтверждена в заявленном диапазоне значений. Специалистам в данной области следует понимать, что составы и методы, раскрытые в последующих примерах, представляют собой те составы и методы, которые обнаружены авторами изобретения как хорошо работающие при практической реализации изобретения; однако, в свете настоящего описания, специалистам в данной области должно быть понятно, что возможны многочисленные изменения в конкретных описанных вариантах осуществления изобретения, которые также приводят к достижению подобного или аналогичного результата без отступления от объема изобретения.
ПРИМЕР
250
450
340
320
321
200
200
400
300
510
500
510
500
410
210
510
250
450
210
510
220
510
2
2
-1
-1
В соответствии со схемой, представленной на чертеже, собрали электролитическую ячейку, используя анод , состоявший из титановой сетки толщиной 0,5 мм с площадью 113 мм × 53 мм, активированной каталитическим покрытием на основе оксидов Ru, Ir и Ti; катод , состоявший из титановой сетки толщиной 0,5 мм с площадью 113 мм × 53 мм, активированной каталитическим покрытием на основе Pt; катионообменную мембрану  типа Nafion N115 производства DuPont; анодный сепаратор, включающий анионообменную мембрану  типа FAP-0 производства Fumatec с двумя слоями полимерной диафрагмы  толщиной 0,5 мм из ленты Polyramix Tape производства Industrie De Nora, наложенной на нее со стороны, обращенной к анодной камере , и состоящей из сетки волокон ПТФЭ, модифицированных частицами Zr, полученной путем осаждения тонкого листа из водной суспензии волокон, сушки при 100°С, спекания при 345°С в течении 90 минут и дополнительной обработки в течении 60 минут в разбавленной каустической соде с рН 11, содержащей 0,1% поверхностно-активного средства Zonyl, при температуре 90°С. В анодную камеру  и катодную катеру  подавали соответственно анолит и католит, состоящие из умягченной воды с жесткостью 4°f. В промежуточную камеру  подавали насыщенный рассол , полученный из NaCl с чистотой 99%, поступающий из резервуара , содержавшего несколько титановых пластин, покрытых краской на основе RuO; рассол  на выпуске рециркулировали в резервуар , как показано на чертеже. Католит  подавали с фиксированным расходом 1 л/мин, тогда как расходы анолита  и рассола  изменяли в ходе различных испытаний, которые все проводили при подаче постоянного тока 6 А (соответствующего плотности тока 1 кА/м) после подсоединения положительного полюса выпрямителя к аноду , а отрицательного полюса – к катоду . Наилучшие результаты с точки зрения эффективности производства активного хлора были получены при расходе анолита  0,6 л/мин и расходе рассола  0,7 л/мин. В таких условиях оказалось возможным производить в непрерывном режиме окисляющий раствор , содержащий 65-70 млнсвободного активного хлора при рН немногим больше 6. Испытание проводили в течении 650 часов при постоянных параметрах. Накопление активного хлора в рециркулируемом рассоле  непрерывно контролировали, получая величину, постоянно находящуюся ниже 1 млн/ч. В конце испытания, при открытии ячейки, не обнаружили видимого разрушения какого-либо из ее компонентов.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР
320
321
210
510
220
510
220
-1
-1
Электролитическую ячейку собрали аналогично предыдущему примеру, за исключением анодного сепаратора, состоявшего в этом случае только из анионообменной мембраны  типа FAP-0, без наложения на нее какой-либо полимерной диафрагмы . Испытание проводили при той же плотности тока, при расходе 0,6 л/мин анолита , 1 л/мин католита и 0,7 л/мин рассола . В таких условиях оказалось возможным в непрерывном режиме получать окисляющий раствор , содержащий 80 млнсвободного активного хлора, с рН примерно 6. Во время испытания наблюдалось накопление активного хлора примерно 2 млн/ч в рециркулируемом рассоле . Испытание принудительно прекратили через примерно 50 часов из-за неожиданного разрушения анодной мембраны, обнаруженного по загрязнению ионами натрия раствора-продукта . Испытание повторили с другой анионной мембраной (Selemion производства Asahi Glass), с по существу такими же результатами.
Приведенное выше описание не следует рассматривать как ограничивающее изобретение, которое может быть использовано в соответствии с различными вариантами его осуществления без выхода за рамки его объема, которые определяются только прилагаемой формулой изобретения.
По всему описанию и формуле изобретения настоящей заявки термины «включать», «содержать» и их варианты, такие как «включающий» и «содержит», не подразумевают исключения наличия других элементов, компонентов или дополнительных технологических стадий. Рассмотрение документов, актов, материалов, устройств, статей и т.п. включено в настоящую заявку только с целью приведения контекста настоящего изобретения. Не предполагается или не утверждается, что какой-либо или все эти объекты составляли часть основополагающего уровня техники или являлись общедоступными сведениями общего характера в той области, к которой относится настоящее изобретение, до даты приоритета каждого пункта формулы данной заявки.