СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF WATER SALT SOLUTIONS AND DEVICE THEREOF

Изобретение относится к электрохимической обработке водных растворов. Оно может быть использовано преимущественно для обработки растворов солей для промышленного получения из них гидроксидов металлов (щелочей) и кислот.
Известны способы электрохимического активирования водных растворов в диафрагменном электролизере, в которых получение конечного продукта заданного качества достигается за счет обеспечения заданного значения окислительно-восстановительного потенциала eh католита и анолита, при котором для активирования водного раствора значение eh не более 850 мВ (патент РФ №2221753, C02F 1/46, 2004 г.) (1).
Этот способ применим для активации водных растворов и не обеспечивает полного расщепления молекул раствора (электролиз), а поэтому не может быть использован для получения щелочей и кислот из солей, т.е. по сути не является аналогом изобретения.
2
Известен способ электрохимической обработки растворов солей в диафрагменном электролизере с получением кислоты в анодной камере и щелочи в катодной. В этом способе электролиз ведут при удельном количестве электричества 3000-4500 Кл/л (согласно притязаниям заявителя), при котором eh католита составляет -(910-940) мВ, a eh анолита +(1250-1260) мВ при плотности тока 156,25 А/м (патент РФ №2236893, В01D 53/34, 2003 г.) - прототип(2).
Недостатками этого способа являются недостаточное качество получаемой продукции, а также невысокая производительность из-за невысоких значений удельного количества электричества и плотности тока и в результате этого недостаточно высоких значений окислительно-восстановительного потенциала eh католита и анолита.
Так, чистота получаемой продукции по способу-прототипу составляет не более 90%, в то время как, например, согласно ГОСТу 2263 «Натр едкий» должна составлять не менее 94,0 мас.% гидроксида натрия - для I сорта и 98,5% - для высшего, согласно ГОСТу 2184 «Кислота серная» не менее 92,5 мас.% серной кислоты для I и II сорта и 92,5-94,0 для улучшенного.
Известны устройства для электрохимической обработки водных растворов в виде диафрагменного электролизера, содержащего емкость, разделенную посредством ионопроницаемой диафрагмы на две камеры, в каждой из которых размещен, по меньшей мере, один электрод, соединенный с соответствующим полюсом источника постоянного тока (например, патент РФ №2177454, C02F 1/46, 2001 г.) (3).
Недостатками этих устройств являются недостаточная производительность при высоких энергетических затратах, а также недостаточное качество готовой продукции из-за неравномерности обработки по всему объему жидкости и образования застойных зон.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для электрохимического активирования жидкости в виде диафрагменного электролизера, в котором, кроме упомянутых признаков (3), электроды в камерах размещены вертикально, что несколько улучшает условия взаимодействия с обрабатываемым раствором, а также имеются распределители потока жидкости, выполненные в виде перфорированных труб, соединенных с насосом (патент РФ №2221753).
Недостатками этого решения являются недостаточная равномерность распределения eh по объему жидкости, т.к. электроды размещены на периферии камеры, а также усложнение и удорожание конструкции за счет наличия дополнительных распределителей потока с собственным насосом.
Технической задачей предлагаемого способа является повышение качества получаемой готовой продукции (кислот и щелочей) за счет обеспечения глубокого электролиза исходных растворов солей.
Технической задачей устройства для осуществления этого способа является повышение эффективности электролиза за счет повышения равномерности распределения eh по объему жидкости при одновременном упрощении и удешевлении конструкции.
2
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе электрохимической обработки водных растворов солей в диафрагменном электролизере обработку ведут при удельном количестве электричества не менее 12000 Кл/л и плотности тока не менее 4000 А/м, при числовом значении окислительно-восстановительного потенциала католита - не мене 1000 мВ и анолита - не менее 1300 мВ.
При таких параметрах электрохимической обработки происходит глубокий электролиз водорастворимых солей, т.е. полное разложение исходных реагентов на кислую составляющую (кислоты) и щелочную (гидроксиды щелочных, щелочно-земельных или переходных металлов), в результате чего обеспечивается выход готового продукта высокой чистоты согласно требованиям государственных стандартов.
Поставленная техническая задача решается также тем, что в устройстве для осуществления этого способа, выполненном в виде диафрагменного электролизера, содержащего емкость, разделенную посредством ионопроницаемой диафрагмы на две камеры, анодную и катодную, в которых вертикально установлены соответствующие электроды, а также имеются средства для подачи в камеры исходного раствора, новым является то, что для обеспечения равномерности обработки путем распределения eh по всему объему обрабатываемого раствора и ликвидации застойных зон стенки емкости и диафрагма выполнены гофрированными, средства для подачи раствора выполнены в виде эжекторных форсунок, а электроды смонтированы в центральной зоне камер.
При этом диафрагма может быть выполнена плоскостной, а электроды трубчатыми или стержневыми.
Для повышения эффективности электролиза за счет увеличения площади контакта жидкости с электродами диафрагма может быть выполнена в виде цилиндра, размещенного в центре емкости с образованием внутренней камеры, в центре которой расположен трубчатый или стержневой электрод, а второй электрод выполнен цилиндрическим и установлен коаксиально диафрагме в наружной камере.
Предлагаемое устройство схематично показано на чертеже, где:
на фиг.1 - дан общий вид, продольный разрез, вариант I;
на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;
на фиг.3 - общий вид, продольный разрез, вариант II;
на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.3.
2
2
4
3
3
2
2
Предлагаемый способ проводят в диафрагменном электролизере, обе камеры которого, катодную и анодную, заполняют исходным водным раствором неорганических или органических солей металлов: щелочных (Na, K), щелочно-земельных (Ca, Mg), переходных (Fe). Процесс ведут при удельном количестве электричества не менее 12000 Кл/л и плотности тока не менее 4000 А/м, при числовом значении eh католита - от 1000 мВ, а анолита - от 1300 мВ. При этом обеспечивается полное разложение (электролиз) исходного раствора на кислые и щелочные компоненты и образование в анодной зоне кислот (HSO, HNO, CHCOOH и др.), а в катодной зоне - гидроксидов (например, NaOH, KOH, Ca(OH), Mg(OH) и др.) согласно химическим реакциям 1-5 на примере солей натрия:
В таблице 1 приведены результаты исследования эффективности электролиза солевого раствора в зависимости от параметров процесса.
Таблица 1
Зависимость эффективности электролиза от параметров процесса
Сила тока, I, А
Плотность тока, d, А/м<sup>2</sup>
Удельное количество электричества q, Кл/л
Окислительно-восстановительный потенциал, eh, мВ
Эффективность электролиза по выходу продукта, %
Католита
Анолита
6000
3000
9000
-950
+1250
74
7000
3500
10500
-970
+1280
82
7500
3750
11250
-980
+1290
91
8000
4000
12000
-1000
+1300
94
9000
4500
13500
-1010
+1320
96
10000
5000
15000
-1020
+1350
99
Устройство для осуществления указанного способа представляет собой диафрагменный электролизер, содержащий в первом варианте (фиг.1-2) емкость 1 прямоугольной формы из диэлектрического материала с гофрированными стенками 2, разделенную посредством ионопроницаемой плоскостной диафрагмы 3 на две камеры 4 и 5. По центру каждой камеры вертикально смонтированы, по меньшей мере, по одному электроду 6 и 7 трубчатой или стержневой формы, электрически соединенных с разноименными полюсами источника постоянного тока (не показан), в результате чего один из электродов, в частности 6, является положительно заряженным, т.е. анодом, а электрод 7 - отрицательно заряженным, т.е. катодом, с возможностью, при необходимости, изменения их полярности.
В нижней части емкости имеется средство для подачи в камеры исходного раствора, выполненное в виде коллектора 8, с размещенными в камерах 4 и 5 эжекторными форсунками 9 с всасывающими патрубками 10. В верхней части емкости 1 имеются патрубки 11 для вывода готового продукта.
Во втором варианте (фиг.3-4) диафрагма 3 выполнена в виде цилиндра с гофрированной поверхностью, установленного вертикально в центре емкости 1, при этом одна из камер 4 находится во внутренней полости диафрагмы, а вторая 5 - снаружи. В центре камеры 4 вертикально размещен трубчатый или стержневой электрод 6, а в камере 5 установлен коаксиально диафрагме 3 электрод 7, выполненный в виде цилиндра. При этом емкость 1 может быть прямоугольной или круглой (предпочтительнее).
Первый вариант устройства (фиг.1-2) проще в изготовлении, однако второй вариант (фиг.3-4) эффективнее за счет увеличения площади контакта обрабатываемого раствора с электродами и более равномерного распределения eh по объему жидкости.
Устройство работает следующим способом.
Обрабатываемый раствор соли подают в камеры 4 и 5 через эжекторные форсунки 9, обеспечивающие вихреобразование потоков жидкости, взаимодействие которых с гофрированными стенками 2 емкости и гофрированной диафрагмой 3 усиливает это вихреобразование. Это предотвращает образование застойных зон и способствует более равномерному перемешиванию слоев и, следовательно, более эффективной обработке всей массы жидкости в камерах. Этому же способствует размещение электродов по центру камеры.
От источника тока на электроды поступает электрический ток с заданными параметрами, приведенными в описании «Способа», что обеспечивает заданные значения eh католита и анолита, в результате чего в анодной камере образуется кислота, а в катодной - гидроксиды, которые через выходные патрубки 11 удаляют из аппарата. Цикл повторяют.