УСТАНОВКА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРСОДЕРЖАЩИХ РЕАГЕНТОВ И ФЕРРАТА НАТРИЯ

Полезная модель относится к области химического производства, в частности к оборудованию, предназначенному для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, применяемых для обеззараживания питьевой воды и очистки (путем коагуляции) промышленных, сельскохозяйственных и других стоков.
С точки зрения окислительного потенциала различных реагентов, применяемых на практике, наиболее эффективными являются хлор, диоксид хлора, озон, перекись водорода, перманганат и феррат (VI). Однако, несмотря на высокий потенциал всех перечисленных реагентов, с позиции экономической рентабельности, разработанности технологии и широты практического применения на первом месте находятся хлорсодержащие реагенты. Вместе с тем, последние 10-15 лет особое внимание исследователей и практиков привлекает феррат натрия (VI), обладающий самым высоким окислительным потенциалом, превосходящим даже озон, бактерицидное действие которого, кстати, весьма непродолжительно.
Ферраты (VI) щелочных металлов обладают многофункциональным действием, являются наиболее мощными из известных окислителей и способны разлагать многие токсичные химические вещества до малотоксичных продуктов (окисляющее действие), а также вызывать гибель микроорганизмов (дезинфицирующее действие). Продуктом разложения самих ферратов в растворе является гидроксид железа, то есть малотоксичный продукт. Кроме того, гидроксид железа выделяется в виде коллоидных агрегатов с очень развитой поверхностью, которые эффективно адсорбируют ионы тяжелых металлов, радионуклиды, частицы суспензий и органические остатки, обеспечивая дополнительную очистку воды путем коагуляции загрязнителей (коагулирующее действие). К настоящему времени разработаны различные технологии их получения и использования. Производство сухого стабилизированного феррата требует высоких расходов на его синтез, транспортировку и упаковку. При производстве феррата на месте использования жидкий продукт имеет более стабильные свойства, он легко закачивается и добавляется в любой раствор или производственную систему, его себестоимость снижается в 4 раза. Применение ферратов щелочных металлов обеспечивает дезинфицирующее, окисляющее и коагулирующее действие, но не дает пролонгированного эффекта.
Аппаратное оформление технологий получения растворов как хлорсодержащих реагентов, так и феррата сводится к использованию электролизных установок.
Пример установки для производства феррата электролитическим способом описан в патенте CN 102925919. Это устройство включает катодную камеру, анодную камеру, перемешивающее раствор устройство, корпус из нескольких ячеек, клапан, пластинчатый катод, пластинчатый анод и катионообменную мембрану. Для электрохимического производства раствора феррата в непрерывном режиме с помощью дозирующего устройства в виде трехмерного электрода используется две анодных камеры, между которыми находится катодная камера меньшего объема, чем анодная камера. В анодной камере на дно установлена мешалка, в катодной камере установлено по две катодных железных пластины, разнесенных по сторонам катодной камеры вдоль катионообменных мембран, разделяющих катодную и анодную камеры; анодная пластина представляет собой несколько разнесенных пластин из вспененного железа толщиной 0,5-1 мм.
Недостатками описанной установки являются:
- необходимость использования в качестве рабочего раствора концентрированной щелочи, поставляемой в виде раствора или в гранулах, что требует дополнительных затрат на ее хранение и соблюдение требований, регламентирующих хранение концентрированной щелочи;
- при использовании только феррата для обеззараживания питьевой воды и коагуляции находящихся в ней примесей не выполняются требования СанПиН 2.1.4.1074-01 и ГОСТ 2874-82 об обязательном содержании в ней остаточного хлора в пределах 0,3-0,5 мг/л для выполнения требований обеззараживания с пролонгированным эффектом.
Перспективной тенденцией последнего времени является сочетание производств наиболее эффективных окислителей и их совместное использование, представленное в виде технического решения, выбранного в качестве прототипа, которым является установка для получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, предназначенная для обеззараживания (стерилизации) балластных вод [KR 101202765]. Она включает электролизные блоки для получения гипохлорита (электродиализатор) и феррата (электролизер), стерилизатор с гипохлоритом и стерилизатор с ферратом, резервуар хлорида натрия, резервуар для воды, а также систему насосов и трубопроводов для подачи различных реагентов в электродиализатор. Электродиализатор состоит из ванны, анодной пластины, отделенной ионообменной мембраной от катодной пластины, и подающих труб. Электродиализатор вырабатывает гипохлорит (NaClO) и каустическую соду (NaOH). Электролизер для получения феррата состоит из ванны, катодной пластины, железосодержащего анода и подающих труб. Из электродиализатора щелочь по трубопроводу и вода из резервуара подается в электролизную ванну для электролитического разложения железа для получения феррата.
К недостаткам прототипа следует отнести следующие:
- большие затраты и меньший выход по току при производстве феррата в неразделенной ячейке, связанные со снижением концентрации феррата в растворе из-за электрохимического восстановления феррат-иона на катоде после преодоления ферратом расстояния от анода до катода, а также из-за химического восстановления феррат-иона молекулярным водородом, образующимся на катоде;
- образование взрывоопасных смесей выделяемых водорода и кислорода при производстве феррата в неразделенной ячейке.
Таким образом, задачей полезной модели является повышение качества окисляющих реагентов, а также повышение производительности при их производстве. Другой задачей полезной модели является повышение безопасности работы установки в целом.
Поставленная задача достигается за счет того, что установка для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия включает подключенные к источнику тока электролизные блоки, предназначенные для получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия соответственно, при этом электролизный блок для получения хлорсодержащих реагентов снабжен ионообменной мембраной, разделяющей пространство на катодную и анодную камеры, последняя из которых связана с емкостью приготовления солевого раствора, а катодная - с емкостью, содержащей воду, и через промежуточную емкость для накопления щелочи связана с катодной и анодной камерами ферратного электролизного блока, в котором между катодом и железосодержащим анодом введена ионообменная мембрана, и катодная и анодная камеры ферратного электролизного блока связаны с сепараторами водорода и кислорода соответственно, а анодная камера ферратного электролизного блока связана через промежуточную емкость для накопления феррата натрия с трубопроводом обрабатываемых вод.
Технический результат полезной модели состоит в том, что введение ионообменной мембраны в ферратном электролизном блоке позволило увеличить выход феррата по току и снизить взрывоопасность установки, а введение в него сепараторов кислорода и водорода позволило повысить безопасность ее работы в целом.
На прилагаемом к описанию полезной модели рисунке дано схематическое изображение предлагаемой комплексной установки для получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия.
Установка для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия содержит два модуля: M1 и М2.
Модуль M1 для получения хлорсодержащих реагентов состоит из источника постоянного тока 1, емкости 2 для приготовления солевого раствора, электролизного блока 3, полость которого посредством ионообменной мембраны 4 разделена на анодную и катодную камеры, снабженные двумя электродами - анодом 5 и катодом 6 соответственно. Модуль M1 снабжен устройствами дозирования солевого раствора и воды (7) в анодную и катодную камеры электролизного блока 3 соответственно, емкостями 8 и 2, содержащими воду для подачи в катодную камеру и солевой раствор для подачи в анодную камеру. Анодная камера соединена с трубопроводом ОВ, транспортирующим обрабатываемые воды, катодная камера связана с электролизным блоком для получения феррата натрия через промежуточную емкость 9 для накопления щелочи.
Модуль М2 для получения феррата натрия включает источник постоянного тока 10, электролизный блок 11, анодная и катодная камеры которого связаны с промежуточной емкостью 9 для накопления щелочи и содержат два электрода - анод 12 и катод 13, разделенные ионообменной мембраной 14. При этом анод должен быть железосодержащим и служить источником железа для производства феррата. Катодная камера электролизного блока 11 связана с наружным пространством через сепаратор 16 водорода, анодная камера - через сепаратор кислорода 17, а также с емкостью 15 накопления феррата. Следует отметить, что система различного рода датчиков, систем индикации и пультов управления на рисунке не показана.
Работа установки показывается посредством последовательного описания работы каждого из модулей M1 и М2 в отдельности.
+
Модуль M1. Холодная вода из городской сети водоснабжения поступает в емкости 2 и 8. В емкость 2 через открытую крышку предварительно засыпается соль до максимальной отметки. Из емкости 2 насыщенный солевой раствор подается в анодную камеру электролизера 3. Холодная вода из емкости 8 поступает в катодную камеру этого электролизера. В последнем из анодной камеры ионы Na через ионообменную мембрану 4 попадают в катодную камеру, где вырабатывается раствор щелочи NaOH. Из анодной камеры электролизера 3 гипохлорит подается в трубопровод ОВ. Из электролизера 3 католит подается в промежуточную емкость 9 модуля М2 для производства феррата.
+
2
4
Модуль М2. Из промежуточного бака 9 щелочной раствор NaOH с концентрацией 20-35% подается в нижнюю часть катодной и анодной камер электролизера 11. В электролизере 11 при температуре 30-55 градусов из анодной камеры ионы Na через ионообменную мембрану попадают в катодную камеру, где незначительно повышается концентрация щелочи. В анодной камере под действием электрического тока происходит разрушение железосодержащего анода 12 и образование феррата натрия (NaFeO). Для протекания реакции на электроды электролизера 11 подается постоянный ток величиной до 40-60 А при напряжении до 2,5-6 В. Из электролизера газообразный водород через сепаратор 16 и газообразный кислород через сепаратор 17 выводятся в наружное пространство, окружающее здание. Произведенный раствор феррата натрия из сепаратора кислорода 17 попадает в промежуточную емкость 15 и оттуда в систему транспортировки обрабатываемых вод ОВ.
Введение мембраны между катодом и анодом увеличивает выход по току и снижает энергопотребление процесса, что связано с ликвидацией двух эффектов: электрохимического восстановления феррат-иона на катоде и химического восстановления феррат-иона молекулярным водородом, получаемым на катоде. Еще одним преимуществом введения мембраны в электролизный блок для получения феррата является изоляция газообразного водорода, отводимого из катодного пространства, от газообразного кислорода, произведенного в анодном пространстве электролизера. Из-за разделения катодной и анодной камеры опасность образования взрывоопасных смесей водорода и остаточного кислорода сводится к минимуму и исключается необходимость в инертной газовой продувке, которая необходима в неразделенной ячейке.
Производство жидких ферратов и применение их на месте использования обеспечивает ресурсосбережение, так как не требует дорогостоящих операций стабилизации, упаковки и транспортировки, применяемых при получении сухих ферратов. По зарубежным оценкам технология производства ферратов для обеззараживания стоков является наиболее дешевой по сравнению с производством гипохлорита, обработкой ультрафиолетом и озоном как в плане капитальных затрат, так и в плане эксплуатации и технического обслуживания.