УСТРОЙСТВО 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 окисления и коагуляции) промышленных, сельскохозяйственных и других стоков.
С точки зрения окислительного потенциала различных реагентов, применяемых на практике, наиболее эффективными являются хлор, доксид 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.
Аппаратное оформление технологий получения растворов как хлорсодержащих реагентов, так и феррата сводится к использованию электролизных установок.
Так, известна конструкция электролизера по патенту RUI 13735, включающего блок подготовки рабочих растворов, блок подачи и дозирования рабочих растворов, блок управления и энергетики, электролизер мембранный, блок хлорирования и баки-накопители щелочи.
Описанное устройство обеспечивает получение анолита, представляющего собой смесь активных веществ (газообразного хлора, диоксида хлора, синглетного кислорода) и предназначенного для обеззараживания воды. Он обладает минимальным (IV) классом токсичности, является метастабильным, не накапливается в среде, а по истечении срока действия (не менее 30 дней) деградирует до обычной пресной воды с минерализацией не более 1 г/л. Он не требует дезактивации и утилизации, является экологичным и не наносит вред окружающей среде. Анолит эффективен против всех патогенных микроорганизмов, включая бактерии, вирусы, микобактерии, возбудители анаэробных инфекции, возбудители особо опасных инфекций, грибы, споры.
Недостатками такого устройства являются:
- необходимость сбора щелочи в промежуточную емкость, что обуславливает соблюдение требований, регламентирующих хранение концентрированной щелочи, и дополнительные расходы на ее хранение и утилизацию;
- хлорсодержащие реагенты не способны разлагать устойчивые токсичные химические вещества до малотоксичных продуктов, адсорбировать ионы тяжелых металлов, радионуклиды, частицы суспензий и органические остатки, т.е. не обеспечивают дополнительную очистку воды путем коагуляции загрязнителей.
Пример устройства для производства феррата электрохимическим 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. Анодная пластина представляет собой несколько разнесенных пластин из вспененного железа толщиной 0,5-1 мм.
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 получения ферратов и их 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.
Недостатками описанного устройства 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 устройство для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, предназначенное для обеззараживания (стерилизации) балластных вод [KR 101202765]. Оно включает электролизные блоки для получения гипохлорита (электродиализатор) и феррата (электролизер), подключенные к источнику тока 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. Напряжение на электродах составляет 2-3 V. К недостаткам прототипа следует отнести следующие:
- Конструктивную сложность устройства, обусловленную наличием двух отдельных электролизных блоков, каждый из которых снабжен автономной инфраструктурой в виде системы насосов, трубопроводов и т.п.
- Повышенные габариты собственно устройства, требующего для своего размещения большей производственной площади, а значит и увеличенных капитальных строительных затрат.
Таким образом, задачей полезной модели является упрощение конструкции устройства и уменьшение ее габаритов.
Поставленная задача достигается за счет того, что в устройстве для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, включающем подключенные к источнику тока хлорный и ферратный электролизные блоки, последние смонтированные в объеме единой ванны и имеют общий катод, при этом аноды каждого из блоков расположены с противоположных сторон катода и отделены от него ионообменными мембранами, разделяющими объем ванны на три сообщающихся между собой камеры, представляющие собой анодные камеры хлорного и ферратного блоков, а также общую катодную камеру.
Общий катод выполнен в виде двух параллельно расположенных пластин, расположенных в непосредственной близости от ионообменных мембран.
Технический результат полезной модели состоит в совмещении хлорного и ферратного блока в общей ванне, что значительно упрощает конструкцию устройства и уменьшает его габариты.
На прилагаемой к описанию полезной модели фигуре 1 дано схематическое изображение предлагаемого устройства для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия. Устройство содержит хлорный электролизный блок 1 и ферратный электролизный блок 2, основные составляющие элементы которых размещены в объеме единой ванны 3. К этим элементам относятся: общий катод 4, выполненный в виде двух параллельно расположенных пластин, анод 5 хлорного блока, выполненный из химически стойкого к хлору металла, и железосодержащий расходуемый анод 6 ферратного блока, расположенный в ванне 3 с противоположных сторон катода 4. Аноды и общий катод обоих блоков подключены к источнику 7 постоянного тока. Оба анода 5 и 6 отделены от катода 4 ионообменными мембранами 8, которые разделяют объем ванны 3 на три камеры, сообщающиеся между собой через ионообменные мембраны 8. Таким образом, ванна 3 имеет следующие камеры: анодные камеры 9 и 10 хлорного и ферратного блоков соответственно, а также общую катодную камеру 11. Анодная камера 9 связана с источником 12 соляного раствора, а катодная камера 11 связана с источником воды 13. Анодная камера 9 соединена с сепаратором хлора (анолита) 14, при этом катодная камера 11 соединена с сепаратором водорода 15, который в свою очередь связан с анодной камерой 10 для подачи в нее щелочи. Последняя снабжена сепаратором 16 для отбора образующегося кислорода и подачи жидкого феррата на выход из установки. Внешний вид единой ванны представлен на фигуре 2.
Работает устройство следующим образом. Элементы устройства подключаются к источнику 7 постоянного тока. В анодную камеру 9 из емкости 12 подается соляной раствор, имеющий предельную концентрацию соли. Выделяющийся хлор попадает в сепаратор 14, где образуется анолит и где происходит всасывание верхней части этого аналита, содержащего наибольшую концентрацию хлора для дальнейшего практического потребления по прямому назначению, т.е. для процесса обеззараживания жидких сред, в частности питьевой или технической воды. Основная химическая реакция, происходящая на аноде 5:
2
+
NaCl-2е→Cl+2Na
В катодной камере 11, в которую из емкости 13 подается водопроводная вода, происходит выработка раствора щелочи, а из сепаратора 15 происходит отвод за пределы устройства образующегося в процессе электролиза водорода, отделяемого от раствора щелочи. Из сепаратора 15 раствор щелочи подается в анодную камеру 10.
Основные химические реакции, происходящие в камере 11:
+
-
Na+OH→NaOH
+
2
2Н+2е→Н↑
Анодная камера 10 предназначена для выработки феррата натрия, для чего в нее подается из сепаратора 15 щелочь. В сепараторе 16 происходит выделение образующегося в процессе электролиза кислорода и его удаление за пределы устройства. Раствор феррата натрия из сепаратора 16 подается для дальнейшего использования по своему назначению в качестве окислителя и коагулянта.
Основная химическая реакция, происходящая на аноде 6:
Растворы в камеры устройства подаются с помощью мембранных насосов (на чертеже не показаны).
Следует особо отметить как одно из достоинств то, что предлагаемое устройство может работать только в режиме выработки анолита, в случае если очистка сточных вод с помощью феррата не требуется.