Электрохимический синтез гипохлорита натрия с использованием подземных вод

Известия ДГПУ, №2, 2001

УДК 544.653.1

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ГИПОХЛОРИТА НАТРИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

© 2008 Расулова Ш.У., Алиев З.М., Исаев А.Б., Шапиев Б.И.*, Муташев Р.К.* Дагестанский государственный университет *Дагестанская государственная медицинская академия

Изучена возможность получения гипохлорита натрия из подземных слабоминерализованных вод. Использование подземных слабоминерализованных вод для приготовления раствора хлорида натрия при получении гипохлорита натрия приводит к повышению эффективности процесса и снижению энергетических затрат.

The opportunity of synthesis of sodium hypochloride from underground waters is studied. Underground water use for preparation the sodium chloride solution during synthesis of sodium hypochloride leads to increase of process efficiency and decrease of power expenses.

Ключевые слова: гипохлорит натрия, подземный рассол, минерализованная вода, электролиз, синтез.

Keywords: sodium hypochloride, underground brine, mineralized water, electrolysis, syntheses.

Водные растворы гипохлорита натрия находят широкое применение для обеззараживания питьевой и сточной вод благодаря высокой антибактериальной активности и широкому спектру действия на различные микроорганизмы.

Г ипохлорит натрия является нестабильным веществом, поэтому целесообразно получение его на месте потребления. Химический метод получения гипохлорита натрия вытесняется в последние годы электрохимическим - электролизом хлорида натрия, морской воды и минерализованных вод.

Электрохимическое производство

растворов гипохлорита натрия может осуществляться по периодической и непрерывной схемам [3].

Особенно перспективно использование гипохлорита натрия для обеззараживания воды в домах отдыха и санаториях, расположенных на берегу Каспийского

моря. В этом случае решаются проблемы: транспортировки хлора, хлорной извести или других средств; хранения ядовитых веществ; потери активности любого со временем.

Метод электросинтеза гипохлорита натрия на месте его потребления получил широкое распространение [1, 6]. При этом электролизу подвергаются раствор поваренной соли, подземные рассолы либо морская вода [5]. Однако электролиз морской воды или известных подземных рассолов, как правило, затруднен из-за быстрого образования на катоде отложений, состоящих в основном из гидроксидов кальция и магния. Поэтому вода для приготовления рассола должна иметь невысокую жесткость или подвергнута предварительному умягчению.

Весьма перспективным сырьем для получения гипохлорита натрия с точки зрения предотвращения образования на

поверхности электродов осадков являются подземные минеральные воды с низким содержанием солей кальция и магния [7], а использование подземных рассолов для этого является актуальной проблемой из-за устранения в производственном процессе узлов хранения, растворения соли и затрат на транспортировку сырья [2].

В данной работе обсуждаются результаты исследования по

электросинтезу гипохлорита натрия из подземного рассола источника, находящегося в прибрежной части Каспийского моря у поселка Манаскент Республики Дагестан, содержащего до 23,6 г/л ионов хлора, 19,9 мг-экв/л солей жесткости и другие компоненты, и из

подземной воды Степного поселка (г. Махачкала) с очень низкой жесткостью (< 0,77 мг-экв/л). Вода Степного поселка характеризуется низким содержанием солей жесткости, соответственно, при электролизе не наблюдается образование осадка на катоде, исключаются

технические операции, связанные с

умягчением исходной воды.

Получение гипохлорита натрия из подземного рассола производили

непосредственным электролизом, а в минерализованную воду Степного поселка добавляли хлорид натрия до получения 3%-го раствора. Состав подземных вод, использованных для электросинтеза гипохлорита натрия, приведен в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Химический состав подземного рассола

Катионы Концентрация, мг-экв/л Анионы Концентрация, г/л

натрий, калий 4,503 фтор 0,0001

магний 16,200 хлор 23,604

кальций 25,007 бром 0,0020

стронций не обн. иод 0,0001

железо П/Ш не обн. сульфат 1,296

свинец не обн. гидрокарбонат 0,390

ртуть не обн. карбонат (мг-экв/л) 6,4

Для осуществления электролиза использовался электролизер емкостью 500 мл с окисно-рутениевым титановым анодом и титановым катодом. Массовую долю образовавшегося активного хлора определяли по методике, описанной в [4].

С целью выяснения зависимости производительности процесса получены данные по влиянию плотности тока и продолжительности электролиза на выход по току активного хлора в 3%-ом растворе хлорида натрия,

приготовленном на минерализованной воде.

Таблица 2

Химический состав минерализованной воды

Катионы Концентрация, г/л Анионы Концентрация, г/л

литий 0,0004 фтор 0,0020

аммоний 1,2774 хлор 0,3615

натрий 0,0076 бром 0,0008

калий 0,0039 йод 0,0001

магний 0,0092 сульфат 1,2691

кальций не обн. гидросульфат не обн.

стронций 0,0012 гидросульфит не обн.

железо П/Ш не обн. тиосульфат не обн.

алюминий не обн. сульфит не обн.

марганец 0,000066 гидрокарбонат 1,1745

цинк 0,000059 карбонат 0,0194

медь 0,000001 мышьяк (общ.) не обн.

кобальт не обн. гидрофосфат 0,00002

никель 0,000002 нитрат не обн.

свинец не обн. нитрит не обн.

ртуть не обн. селен (общ.) не обн.

ванадии не обн.

хром 0,000010

кадмий не обн.

На рис. 1 представлена зависимость концентрации активного хлора от продолжительности электролиза. Как видно из приведенных данных,

содержание активного хлора растет и достигает предельного значения за 90 мин. электролиза. Скорость процесса при дальнейшем росте времени

электролиза практически не меняется.

С, г/л

Рис. 1. Зависимость концентрации активного хлора от времени электролиза при различных плотностях тока (А/см2):

1 - 0,01; 2 - 0,02; 3 - 0,1

На рис. 2 показаны сравнительные результаты влияния природы

электролита на выход активного хлора в 3%-ном растворе хлорида натрия, приготовленном на водопроводной (жесткость - 5 мг-экв/л) и исследуемой подземной водах. Из приведенных данных видно, что в случае электролита, приготовленного на подземной воде Степного поселка, концентрация гипохлорита натрия выше, чем в случае

приготовления электролита на водопроводной воде, в 1,15 раз. Кроме того, при электролизе указанного раствора не наблюдается образование отложений солей жесткости на катоде.

Изменение концентрации хлорида натрия при приготовлении исходного раствора электролита от 1 до 3% способствует увеличению выхода активного хлора.

С, г/л

Рис. 2. Зависимость концентрации активного хлора от времени электролиза 3%-го

раствора хлорида натрия, приготовленного на минерализованной (1) и водопроводной водах (2), при I = 0,1 А/см2

При синтезе гипохлорита натрия из подземного рассола для электролиза использовали безмембранный

электролизер. Электролиз проводили в течение двух часов. Брали пробу каждые 30 мин и определяли содержание активного хлора по известной методике [4]. Данные приведены в таблице 3.

Таблица 3

Влияние времени на концентрацию активного хлора при электролизе подземного рассола

Время электролиза, ч Концентрация активного хлора

г/л %

0,5 1 СО 0,16 - 0,18

1,0 СО со 1 ,2 со 0,32 - 0,36

1,5 8 1 5, 4 0,48 - 0,54

2,0 ,2 1 ,5 со 0,65 - 0,72

2,5 6,4 - 7,0 0,64 - 0,70

Как видно из таблицы 3, концентрация активного хлора в зависимости от времени электролиза увеличивается до 6,5 - 7,2 г/л, при дальнейшем увеличении времени (больше 2,5 ч) концентрация активного хлора снижается, что объясняется восстановлением гипохлорита натрия на катоде по реакции:

ШСЮ +Н2О +2 е ^ ШСІ + 2 ОН-

Для увеличения концентрации гипохлорита по току целесообразно проводить электролиз в мембранном электролизере. С этой целью нами был сконструирован и изготовлен

электролизер с использованием силиконовой катионообменной

мембраны марки МФ - 4СК. В анодную камеру электролизера, изготовленного из полипропилена, наливали подземный

рассол, в катодную - разбавленный раствор (0,1 М) щелочи натрия. Газообразный хлор, образующийся в анодной камере, пропускали за пределами электролизера в раствор щелочи натрия.

По результатам электролиза нами рассчитаны выходы по току и расход электроэнергии на получение 1 кг гипохлорита натрия, которые

составляют 95% и 3 кВт-ч/кг соответственно.

Для сравнения возможных выходов гипохлорита натрия в подземном и искусственно приготовленном растворах был проведен электролиз при плотности тока 0,1 А/см2 и содержании 23,6 г/л ионов хлора в подземном рассоле и 3%-ом растворе хлорида натрия (табл. 4).

Таблица 4

Выход по току и концентрация активного хлора при использовании растворов различного состава

Раствор Подземный рассол 3%-ый раствор

Выход по току гипохлорита натрия, % 80 90

Концентрация активного хлора, г/л 5,62 5,92

Как видно из таблицы, выходы по току гипохлорита натрия мало отличаются в случае использовании рассола для электролиза от чистого раствора хлорида натрия.

Таким образом, применение подземных слабоминерализованных вод для приготовления раствора хлорида

натрия при получении гипохлорита натрия приводит к повышению эффективности процесса и снижению энергетических затрат. Для экономии сырья целесообразен электролиз подземного рассола для получения гипохлорита натрия на месте использования.

Примечания

1. Болцтан С.Ю., Гончарук В.В., Ликлов В.М. Получение гипохлорита натрия в электролизере с керамической мембраной // Электрохимия. 2001. №8. - С. 912-915. 2. Дубов Я.М., Тейшева А.А., Мазанко А.Ф. и др. Электрохимическая установка получения гипохлорита натрия для обеззараживания бытовых сточных вод // Химия и техн. воды. 1984. Т. 6. №3. - С. 277-279.

3. Кудрявцев С.В., Бабаев А.А., Фесенко Л.Н. Исследование электрохимического способа получения гипохлорита натрия в электролизере проточного типа // Изв. вузов. СевероКавказский регион. Технические науки. 2000. №2. - С. 81-83. 4. Лурье Ю.Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. - М., Химия, 1974. - 105 с. 5. Медриш Г.Л., Тейшева А.А., Басин Д.Л. Обеззараживание природных и сточных вод с использованием электролиза. - М., 1982. 6. Фиошин М.Я., Смирнов М.Т. Электросинтез окислителей и

восстановителей. - Л., 1981. 7. Якименко Л.М., Серышев Г.А. Электрохимические процессы в химической промышленности. Электрохимический синтез неорганических соединений. - М., 1984.