СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДНОГО РАСТВОРА СОЛИ
METHOD OF ELECTROLYSING AQUEOUS SALT SOLUTION

Изобретение относится к электрохимии, в частности к способам проведения электролиза водных растворов солей, и может быть использовано для получения растворов солей кислородсодержащей кислоты хлора, например гипохлорита натрия.
Известен способ проведения электролиза солевого раствора [SU 262862], согласно которому осуществляют электролиз водного раствора хлорида натрия с целью получения гипохлорита натрия. Процесс электролиза проводят в несколько последовательных стадий при многократном использовании электролита, последовательно пропуская электролит через ряд электролизных камер, в результате чего происходит более полная конверсия исходной соли и увеличивается выход целевого продукта. Для нормализации температурных условий протекания электрохимических реакций электролит периодически охлаждают в холодильных камерах.
Известен способ проведения электролиза водного раствора соли [RU 2125120 С1], выбранный авторами в качестве ближайшего аналога.
Данный способ включает стадию электролиза исходного солевого раствора и последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора, содержащего продукты электролиза, при этом последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора осуществляют при дополнительном введении в указанный раствор жидкого агента, в качестве которого используют воду.
Используемый в рассматриваемом способе прием разбавления полученного на предыдущей стадии электролиза раствора электролита водой позволяет увеличить выход целевого продукта, а также оптимизировать температурный режим протекания электрохимических реакций. Однако при этом возрастает расход электроэнергии на проведение электролиза.
Задачей заявляемого изобретения является снижение расхода электроэнергии на осуществление процесса электролиза водного раствора соли при обеспечении высокого выхода целевого продукта.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе проведения электролиза водного раствора соли, включающем стадию электролиза исходного солевого раствора и последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора, содержащего продукты электролиза, при этом последующий электролиз осуществляют при добавлении к раствору, полученному на предыдущей стадии, жидкого агента, согласно изобретению в качестве жидкого агента используют разбавленный по отношению к исходному водный раствор соли.
Особенностью заявляемого способа является то, что в нем используется прием введения в зону, где осуществляется электролиз, раствора, полученного на предыдущей стадии электролиза, жидкого агента, в качестве которого используют разбавленный по отношению к исходному водный солевой раствор. Как показали проведенные авторами экспериментальные исследования, это приводит к увеличению выхода целевого продукта. По-видимому, при разбавлении раствора электролита указанным жидким агентом уменьшается концентрация реагентов и происходит смещение реакций между находящимися в растворе продуктами электрохимического превращения в сторону образования целевого продукта. При этом за счет того, что указанный жидкий агент содержит диссоциированные ионы соли, повышается электропроводность раствора электролита, который подвергается электролизу и, как следствие, снижаются затраты электроэнергии на проведение электролиза.
Кроме того, в зависимости от конкретно осуществляемого процесса электролиза температуру описанного выше жидкого агента выбирают из условия оптимизации температурных условий протекания электрохимических реакций, что также положительно сказывается на увеличении выхода целевого продукта и снижении затрат электроэнергии на электролиз.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает снижение расхода электроэнергии на проведение электролиза при обеспечении высокого выхода целевого продукта.
Заявляемый способ может быть реализован в электролизерах как непрерывного, так и периодического действия, при этом электролиз может быть осуществлен с использованием единой электролизной секции или ряда последовательно соединенных электролизных секций.
На чертеже представлено схематичное изображение общего вида одного из частных случаев выполнения установки для реализации заявляемого способа.
Способ осуществляют следующим образом.
В случае проведения процесса электролиза в электролизерах периодического действия приготовленный исходный водный раствор соли загружают в электролизер и проводят электролиз в требуемом для конкретного процесса режиме. По окончании процесса электролиза к полученному раствору, содержащему продукты электрохимической реакции, добавляют разбавленный по отношению к исходному водный солевой раствор и вновь осуществляют процесс электролиза. Затем к полученному раствору электролита вновь добавляют указанный выше жидкий агент и опять осуществляют процесс электролиза.
При этом на каждой последующей стадии добавляют разбавленный по отношению к исходному водный солевой раствор. Как следует из практического опыта, для добавления можно использовать раствор соли, разбавленный по отношению к исходному не менее, чем в 2 раза при объемном соотношение раствора электролита и указанного разбавленного солевого раствора 1:(0,15-2,00).
Операцию добавления указанного жидкого агента повторяют до тех пор, пока происходит заметное увеличение выхода целевого продукта по сравнению с предыдущей стадией электролиза. Как показала практика, экономически целесообразно повторять операцию электролиза при добавлении к раствору, полученному на предыдущей стадии, указанного выше жидкого агента, 3-4 раза.
В случае проведения процесса электролиза в электролизерах проточного типа, например в электролизере ящичного типа с неразделенными катодным и анодным пространствами, способ осуществляют следующим образом (см. чертеж).
Исходный водный солевой раствор от источника 7 водного раствора соли с помощью средства 8 для подвода указанного раствора в электролизную секцию 2 электролизера 1 подают сверху в межэлектродное пространство электродов 3. При этом от источника 9 разбавленного по отношению к исходному водного раствора соли подают указанный жидкий агент с помощью средства 10 его подвода в расположенную в нижней части электролизной секции 2 зону 11.
Зона 11 представляет собой зону, в которой осуществляется электролиз раствора электролита, полученного на предыдущей стадии электролиза.
Для представленной на чертеже установки зона 11 представляет собой ту занимаемую раствором электролита часть объема электролизной секции 2 по высоте электролизера, в которой в электролите присутствует заметное количество целевого продукта электролиза.
Первая стадия электролиза исходного водного солевого раствора происходит в объеме электролизной секции 2, расположенном выше уровня расположения средства 10. Последующая стадия электролиза раствора электролита, содержащего продукты электролиза, происходит при добавлении в зону 11 разбавленного по отношению к исходному водного раствора соли.
Указанная стадия электролиза протекает в объеме электролизной секции 2, лежащем ниже уровня расположения средства 10.
По окончании электролиза раствор, содержащий целевой продукт, поступает в секцию 4 сбора целевого продукта и сливается через патрубок 5.
Примеры реализации заявляемого способа.
Пример 1. Осуществляли электролиз 10% раствора хлорида натрия (NaCl) с целью получения раствора гипохлорита натрия (NaClO).
2
Электролиз проводили в электролизере периодического действия ящичного типа с неразделенным электродным пространством. Режим электролиза: U=22 В; f=0,5-0,6 А/см. Объем исходного солевого раствора - 3 л. Осуществляли первую стадию электролиза в течение 35 мин.
По окончании первой стадии количество NaClO в растворе составило 15,9 г (в пересчете на активный хлор).
К раствору, полученному на первой стадии, добавляли 3 л водного раствора соли, разбавленного в 5 раз по отношению к исходному солевому раствору, при объемном соотношении указанных растворов 1:1. Температура добавляемого солевого раствора составляла 18,0°С.
Полученный электролит в объеме 6 л подавали на вторую стадию электролиза. Режим электролиза не изменяли.
По окончании электролиза количество NaClO в растворе составило 36 г.
Аналогичным образом проводили третью, четвертую, пятую и шестую стадии электролиза. Перед каждой последующей стадией раствор, полученный на предыдущей стадии, разбавляли указанным выше жидким агентом в объемном соотношении 1:1.
Количество NaClO в растворе после третьей стадии составило 72 г, после четвертой стадии - 96 г, после пятой - 120,8 г.
После проведения шестой стадии выход NaClO не увеличился по сравнению с пятой стадией, что свидетельствовало о нецелесообразности дальнейшего проведения процесса.
Всего при разложении 600 г NaCl было получено 120,8 г NaClO, что является очень высоким результатом для рассматриваемого процесса электролиза.
Затраты электроэнергии составил 4,2-4,5 кВт на 1 кг гипохлорита натрия (в пересчете на активный хлор).
Пример 2 (сравнительный).
Проводили электролиз в соответствии со способом, выбранным в качестве ближайшего аналога.
Осуществляли электролиз 10% раствора хлорида натрия (NaCl) с целью получения раствора гипохлорита натрия (NaClO).
2
Электролиз проводили в электролизере периодического действия ящичного типа с неразделенным электродным пространством. Режим электролиза: U=22 В; f=0,5-0,6 А/см. Объем исходного солевого раствора - 3 л. Осуществляли первую стадию электролиза в течение 35 мин.
По окончании первой стадии количество NaClO в растворе составило 15,9 г (в пересчете на активный хлор).
К раствору, полученному на первой стадии, добавляли 3 л воды с t=18,0°С при объемном соотношении раствора и воды 1:1.
Разбавленный водой раствор в объеме 6 л подавали на вторую стадию электролиза. Режим электролиза не изменяли.
По окончании электролиза количество NaClO в растворе составило 36 г.
Аналогичным образом проводили третью, четвертую, пятую и шестую стадии электролиза. Перед каждой последующей стадией раствор, полученный на предыдущей стадии, разбавляли водой в объемном соотношении 1:1.
Количество NaClO в растворе после третьей стадии составило 72 г, после четвертой стадии - 96 г, после пятой - 120,8 г.
После проведения шестой стадии выход NaClO не увеличился по сравнению с пятой стадией, что свидетельствовало о нецелесообразности дальнейшего проведения процесса.
Всего при разложении 300 г NaCl было получено 120,8 г NaClO.
Затраты электроэнергии составил 6,0-6,5 кВт на 1 кг гипохлорита натрия (в пересчете на активный хлор).
Пример 3.
Осуществляли электролиз 10% раствора NaCl с целью получения NaClO с использованием электролизера, изображенного на чертеже.
Расход исходного солевого раствора - 220 л/час, расход водного солевого раствора, разбавленного по отношению к исходному в 5 раз, составлял 33 л/час. При этом выдерживалось объемное соотношение указанных растворов 1:0,15.
2
Режим электролиза: напряжение - 80 В, плотность тока - 0,6 А/см.
Время нахождения электролита в рабочей зоне составило 18 с.
Концентрация NaClO в полученном растворе объемом 253 л составила 6,7 г/л (в пересчете на активный хлор), что соответствует 2295,1 г.
Затраты электроэнергии составили 4,2-4,5 кВт на 1 кг гипохлорита натрия (в пересчете на активный хлор).
Пример 4 (сравнительный).
Проводили электролиз в соответствии со способом, выбранным в качестве ближайшего аналога.
Осуществляли электролиз 10% раствора NaCl с целью получения NaClO с использованием электролизера, приведенного на чертеже.
Расход солевого раствора - 220 л/час, расход воды - 33 л/час. При этом выдерживалось объемное соотношение раствора и воды 1:0,15.
2
Режим электролиза: напряжение - 80 В, плотность тока - 0,6 А/см.
Время нахождения электролита в рабочей зоне составило 18 с.
Концентрация NaClO в полученном растворе объемом 253 л составила 6,7 г/л (в пересчете на активный хлор), что соответствует 2295,1 г.
Затраты электроэнергии составили 6,0-6,5 кВт на 1 кг гипохлорита натрия (в пересчете на активный хлор).
Таким образом, как видно из приведенных примеров, при реализации заявляемого способа достигается снижение затрат электроэнергии при обеспечении высокого выхода целевого продукта.