СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ГИПОХЛОРИТОМ НАТРИЯ И ПРОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГИПОХЛОРИТА НАТРИЯ Российский патент 1997 года по МПК C25B1/34 C25B9/00 

Изобретение относится к очистке воды, а именно к способам обеззараживания питьевых и сточных вод, бассейнов и прочих водных объектов, использующим водные растворы хлора и других хлорсодержащих соединений, в частности гипохлорита натрия, и может быть использовано при водоподготовке питьевой воды.

Среди известных окислительных методов обработки воды ведущее место принадлежит хлорированию. Относительная доступность и дешевизна жидкого хлора обусловили его широкое использование в практике водоподготовки.

Однако технологические (достаточно сложная технология, специальные меры безопасности при транспортировке, хранении и применении и т.п.), экономические (содержание реагентного хозяйства и дополнительного штата обслуживающего персонала), экологические (токсичность хлора и высокая вероятность образования в процессе обработки воды токсичных, мутагенных и канцерогенных галогеносодержащих органических соединений) аспекты использования жидкого хлора стимулировали поиски более экономичного технического решения.

В настоящее время в качестве заменителя жидкого хлора используют хлорсодержащие реагенты, которые более безопасны и менее токсичны, чем жидкий хлор. Одним из таких реагентов является гипохлорит натрия.

Сравнительные исследования качества питьевой воды, подготовленной с использованием жидкого хлора и гипохлорита натрия показали, что нормируемые ГОСТ 2874-82 показатели качества воды достаточно близки, и обработанная вода отвечает требованиям указанного ГОСТА.

Кроме того, использование гипохлорита натрия в качестве окислителя и дезинфектанта позволяет улучшить экологическую обстановку вследствие ликвидации хранилищ опасного и токсичного хлора в черте города и большей части реагентного хозяйства водоочистной станции.

Одним из наиболее предпочтительных способов использования гипохлорита натрия в качестве окислителя и дезинфектанта является способ обработки воды гипохлоритом натрия, получаемым на месте его применения путем электролиза растворов хлорида натрия (Усольцев В.А. Соколов В.Д. и др. Водоподготовка с использованием гипохлорита натрия. Журнал "Водоснабжение и санитарная техника", Стройиздат, N 11, 1994).

В частности известен способ обработки воды гипохлоритом натрия, получаемым на месте потребления путем электролиза искусственно приготовленных растворов хлорида натрия. (Медрииз Г.Л. Оборудование и приборы для обеззараживания воды. Водоснабжение и санитарная техника. Стройиздат, N 2, 1993).

Однако использование искусственно приготовленных растворов хлорида натрия обуславливает либо сложный контроль за процессом электролиза и дозировкой подачи гипохлорита натрия в обрабатываемую воду в случае применения технического хлорида натрия с непостоянным составом, либо использование специально приготовленного достаточно дорогого хлорида натрия, что значительно увеличивает стоимость технологии обработки воды. При обработке питьевой воды раствор гипохлорита натрия, пригодный для ее обеззараживания, должен отвечать повышенным требованиям по чистоте и содержанию примесей, что в случаях применения искусственно приготовленных растворов хлорида натрия достигается использованием очищенного хлорида натрия и специально подготовленной воды либо последующей очисткой гипохлорита натрия, что существенно увеличивает стоимость обработки питьевой воды.

Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки воды гипохлоритом натрия, получаемым на месте его потребления с использованием в качестве исходного сырья для электролиза природных растворов хлорида натрия, например, подземных минерализованных вод или морской воды. При этом электролиз осуществляют в непроточном режиме (Медрииз Г.Л. Оборудование и приборы для обеззараживания воды. Водоснабжение и санитарная техника. Стройиздат, N 2, 1993, с. 7-8). Однако морская вода не может быть использована без предварительной очистки для производства гипохлорита натрия, пригодного для обработки питьевой воды, в силу своей загрязненности, что обуславливает повышенные расходы на обработку воды. Использование же природных подземных растворов хлорида натрия, в частности подземной минерализованной воды, для получения гипохлорита натрия к настоящему времени не имеют практического применения из-за отсутствия экономичной технологической схемы.

Для производства гипохлорита натрия применяют бездиафрагменные электролизеры периодического или непрерывного действия, рассчитанные на электролиз концентрированных растворов, содержащих не менее 15 г/л хлорида натрия (авт. св. N 1793008, патент N 733521), электролизные установки периодического действия типа ЭН, серийно выпускаемые заводом "Коммунальник" (Медрииз Г.Л. Оборудование и приборы для обеззараживания воды. Водоснабжение и санитарная техника. Стройиздат, N 2, 1993).

Использование электролизеров периодического действия усложняет технологическую схему обработки воды вследствие дополнительного контроля параметров выходного продукта, поэтому более предпочтительно использовать электролизеры непрерывного действия.

Наиболее близким к предлагаемому является вертикальный бездиафрагменный биполярный электролизер (авт. свид. СССР N 733521),включающий емкость с входным и выходным патрубками и камерами ввода и вывода растворов, расположенными, соответственно, в нижней и верхней частях емкости, размещенные в емкости по высоте горизонтальные перегородки с отверстиями для протекания раствора, по краям которых закреплены пластинчатые электроды. Электроды укреплены одним своим концом по краям отверстий одной перегородки, а другие концы электродов пропущены через отверстия последующей перегородки и закреплены на следующей по высоте перегородке. В данном электролизере весь требуемый расход раствора хлорида натрия, необходимый для получения заданного количества гипохлорита натрия, протекает сквозь зазоры между электродами, поэтому указанные зазоры выбраны достаточно большими. При этом рациональное потребление электроэнергии на электролиз возможно только при использовании электролитов с высокой электрической проводимостью, то есть концентрированных растворов, содержащих не менее 15 г/л хлорида натрия.

Из теории электролиза известно, что практический выход гипохлорита натрия составляет не более 15% от содержания хлорида натрия в растворе. Таким образом, использование концентрированных растворов хлорида натрия во многих случаях представляется нерациональным, увеличивающим стоимость обработки воды, особенно в случае применения искусственно приготовленных растворов хлорида натрия.

Кроме того, в данном электролизере осуществляется напорная подача раствора хлорида натрия, при которой не обеспечивается стабильность гидродинамических процессов, что также повышает стоимость обработки воды за счет дополнительного контроля.

Задача изобретения создание способа обработки воды гипохлоритом натрия и проточный электролизер для осуществления способа, в которых для получения гипохлорита натрия использовали бы природный раствор хлорида натрия с тем, чтобы удешевить технологию обработки воды при обеспечении экологической безопасности.

Поставленная задача решается тем, что в способе обработки воды, включающем введение в обрабатываемую воду раствора гипохлорита натрия, производимого на месте его потребления путем электролиза подземной минерализованной воды, содержащей хлорид натрия, согласно изобретению, используют минерализованную воду, содержащую от 1,5 до 15 г/л хлорида натрия и добываемую на месте производства гипохлорита натрия, электролиз осуществляют в проточном режиме при коэффициенте перевода хлорида натрия в гипохлорит, равном 10 ± 2% при этом добываемую минерализованную воду закачивают в резервуар, из которого обеспечивают самотечную ее подачу в электролизер с заданным расходом.

Авторами было теоретически обнаружено и экспериментально подтверждено, что электролиз слабоконцентрированных растворов хлорида натрия (1,5 15 г/л) энергетически выгоден при коэффициенте перевода хлорида натрия гипохлорит, близком к 10% в частности в пределах 10 ± 2% При значениях коэффициента перевода больше указанного проявляется нелинейная зависимость значения коэффициента перевода хлорида натрия в гипохлорит от величины энергозатрат на электролиз. Соответственно при увеличении коэффициента перевода хлорида натрия в гипохлорит натрия при заданной концентрации раствора хлорида натрия процесс становится энергетически невыгодным. В то же время такой низкий коэффициент перевода может быть задан только при дешевом сырье для получения раствора хлорида натрия, которым в предлагаемом изобретении является подземная минерализованная вода, добываемая на месте потребления гипохлорита натрия. При уменьшении величины коэффициента перевода ниже указанной соответственно снижается экономичность процесса электролиза из-за излишнего расхода минерализованной воды.

Самотечная подача минерализованной воды на электролизер и проточный режим направлены на установление стационарного режима электролиза, что особенно важно для поддержания коэффициента перевода хлорида натрия в гипохлорид, близким к 10% то есть для энергетически выгодного электролитического производства гипохлорита натрия из минерализованной воды с предлагаемым содержанием хлорида натрия. Использование подземной минерализованной воды, добываемой на месте производства гипохлорита натрия, уменьшает по сравнению с известными способами расходы на перевозку и приготовление растворов хлорида натрия. Низкая себестоимость добываемой минерализованной воды позволяет обеспечить самотечную ее подачу на электролизер и проточный режим электролиза.

Подземная вода одного месторождения имеет постоянные физико-химические характеристики: химический состав (в том числе концентрация хлорида натрия), температуру, давление и пр. что позволяет упростить систему контроля за параметрами электролиза и систему подачи раствора, обеспечив электролиз в проточном самотечном режиме. Соответственно на выходе электролизера будет раствор гипохлорита натрия заданной концентрации, пригодный для употребления без дополнительного контроля. При этом отпадает необходимость в специальном контрольном оборудовании, упрощается обслуживание станций водоподготовки. Экологическая чистота подземной воды позволяет использовать ее для получения гипохлорита натрия, пригодного для обработки питьевой воды без дополнительной очистки. По исследованиям авторов, существуют особенно в Северо-Западном районе России, большие запасы подземной минерализованной воды с содержанием хлорида натрия от 1,5 до 15 г/л, что обеспечивает возможность промышленной реализации предлагаемого способа.

Поставленная задача решается также тем, что в проточном электролизере для получения раствора гипохлорита натрия из раствора хлорида натрия, включающем емкость с входным и выходным патрубками и камерами ввода и вывода растворов и размещенные в емкости между указанными камерами монополярные и биполярные пластинчатые электроды, установленные вертикально и параллельно друг другу, согласно изобретению электролизер снабжен разнесенными друг относительно друга кассетами, в которых с межэлектродным зазором от 1 до 3 мм установлены пластинчатые электроды, монополярные электроды размещены по краям кассет и включены параллельно, при этом нижние кромки пластинчатых электродов отстоят от дна емкости, образуя канал для протекания под ними раствора хлорида натрия, а емкость снабжена средством, направляющим входной поток раствора хлорида натрия под пластинчатыми электродами и средством, направляющим раствор гипохлорита натрия к выходному патрубку над верхними кромками пластинчатых электродов.

Известно, что при прохождении электрического тока через раствор хлорида натрия происходит образование гипохлорита натрия и выделение водорода, который в виде пузырьков поднимается вверх, увлекая за собой раствор хлорида натрия. Подъемная сила этих пузырьков увеличивает скорость течения раствора хлорида натрия в межэлектродных зазорах, тем самым затягивая его из околодонного потока в межэлектродные зазоры между пластинчатыми электродами, которые значительно меньше расстояний между электродными кассетами. При этом в потоке над пластинчатыми электродами будет собираться продукт электролиза - гипохлорит натрия.

Чем меньше величина межэлектродных зазоров, тем более энергетическим эффективен процесс электролиза хлорида натрия. Однако минимальная величина межэлектродных зазоров ограничена условием обеспечения протекания через них раствора хлорида натрия, а также технологическими возможностями выполнения плоских поверхностей пластинчатых электродов. Экспериментально было обнаружено, что в выбранном интервале величин межэлектродных зазоров обеспечивается протекание раствора хлорида натрия между пластинчатыми электродами с минимально возможным гидравлическим сопротивлением и, кроме того, указанный межэлектродный зазор может быть достигнут без опасности соприкосновения поверхностей электродов из-за технологических дефектов. Наличие значительно более широких, чем межэлектродные зазоры, каналов между электродными кассетами, объединяющими пластинчатые электроды, а также канала вдоль дна емкости, обеспечивающего равномерную подачу раствора хлорида натрия ко всем электродным кассетам с пластинчатыми электродами, позволяет пропускать через электролизер в ламинарном режиме с наименьшим гидравлическим сопротивлением весь расход раствора хлорида натрия, требуемый для получения заданного количества гипохлорита натрия.

Целесообразно, чтобы входной патрубок был выполнен в верхней части емкости, а выходной в нижней ее части, средства, направляющие входной и выходной потоки выполнены в виде входной и выходной вертикальных перегородок, установленных в емкости параллельно пластинчатым электродам, образуя входную и выходную камеры, при этом нижняя кромка входной перегородки расположена над дном емкости не ниже уровня пластинчатых электродов, а верхняя ее кромка - выше уровня пластинчатых электродов, нижняя кромка выходной перегородки закреплена на дне емкости, а верхняя кромка расположена не ниже верхнего уровня пластинчатых электродов, но ниже верхней кромки входной перегородки.

По мнению авторов, предлагаемое конструктивное решение проточного электролизера является наиболее технологичным и обеспечивающим наименьшее гидравлическое сопротивление потоку, равномерную подачу раствора хлорида натрия ко всем электродным кассетам и равномерный отвод гипохлорита натрия.

Для исключения перелива в аварийной ситуации емкость снабжена дополнительным сливным патрубком, расположенным под верхним краем входной перегородки.

На фиг. 1 изображена технологическая схема обработки воды гипохлоритом натрия; на фиг. 2 проточный электролизер для получения гипохлорита натрия из раствора хлорида натрия.

Способ обработки воды гипохлоритом натрия осуществляется следующим образом. Минерализованная подземная вода, содержащая хлорид натрия 1,5-15 г/л, из скважины 1 (фиг.1) подается по трубопроводу 2 в распределительный резервуар 3. Из резервуара 3 минерализированная вода самотеком поступает на проточный электролизер 4. Заданный расход минерализованной воды, подаваемый на проточный электролизер 4, устанавливается задвижками 5 и контролируется расходомером 6. В электролизере 4 происходит электролитическое разложение водного раствора хлорида натрия, следствием которого является образование гипохлорита натрия и выделение водорода. Раствор гипохлорита натрия заданной концентрации из проточного электролизера 4 самотеком поступает в буферный резервуар 7, откуда насосом 8 подается в накопительный резервуар 9. Из резервуара 9 раствор гипохлорита натрия самотеком поступает к точкам ввода на обеззараживание воды.

На фиг. 2 показана схема проточного электролизера 4 для получения гипохлорита натрия из слабоконцентрированного раствора хлорида, в в частности минерализованной воды с содержанием хлорида натрия от 1,5 до 15 г/л. Проточный электролизер 4 содержит емкость 10 с расположенными на противоположных ее стенках входным и выходным патрубками 11 и 12 соответственно. В емкости 10 установлены перпендикулярно потоку хлорида натрия и параллельно друг другу электродные кассеты 13, каждая из которых состоит из группы вертикальных пластинчатых электродов 14. Пластинчатые электроды 14 включены по биполярной схеме с токоподводом на крайние электроды 14 каждой электродной кассеты 13. Электродные кассеты 13 включены параллельно на общий стабилизированный пульт электропитания 15.

Для обеспечения наиболее энергоэффективной работы электролизера величина межэлектродных зазоров между пластинчатыми электродами 14 в зависимости от концентрации раствора хлорида натрия выбирается из интервала от 1 до 3 мм. Авторы установили, что при зазорах меньше 1 мм гидравлическое сопротивление в межэлектродном пространстве будет слишком большим, что препятствует протеканию раствора хлорида натрия через данные зазоры. При величине зазоров выше указанного предела процесс электролиза неэффективен, поскольку большая часть энергии, прикладываемая к электродам, будет потребляться не на электролиз, а на нагрев слабоконцентрированного раствора, которым является минерализованная вода с содержанием хлорида натрия от 1,5 до 15 г/л. Кроме того при меньшем межэлектродном зазоре, из-за погрешностей в изготовлении плоских электродов 14, возможно касание встречных плоских поверхностей электродов 14.

Эффективная площадь электродной поверхности, количество пластинчатых электродов 14 в каждой кассете 13, а также количество электродных кассет 13 в емкости 10 рассчитываются известными методами из принятых рабочих характеристик проточных электролизеров (плотности тока, напряжения на межэлектродном зазоре), а также из номинальных рабочих величин тока и напряжения.

Расстояние между электродными кассетами 13 устанавливается из условия исключения краевых электрохимических эффектов с тем, чтобы обеспечить независимую работу каждой электродной кассеты 13.

Электроды 14 установлены на расстоянии от дна емкости 10, образуя канал 16 для протекания раствора хлорида натрия под пластинчатыми электродами 14. Площадь проходного сечения канала 16 определяется известными методами из условий обеспечения протекания потока в ламинарном режиме, а также равномерной подачи раствора хлорида натрия ко всем электродным кассетам 13.

Входной патрубок 11 выполнен в верхней части емкости 10, а выходной 12 - в нижней ее части. Напротив указанных патрубков 11 и 12 в емкости 10 установлены входная и выходная перегородки 17 и 18, соответственно, параллельные пластинчатым электродам 14. Перегородки 17 и 18 образуют камеры 19 и 20, соответственно, ввода раствора хлорида натрия и вывода раствора гипохлорита натрия. Нижняя кромка входной перегородки 17 расположена над дном емкости 10 не ниже нижнего уровня пластинчатых электродов 14, а верхняя ее кромка расположена около крышки 21 емкости 10 выше верхнего уровня пластинчатых электродов 14.

Выходная перегородка 18 закреплена нижней кромкой на дне емкости 10, при этом верхняя ее кромка расположена не ниже верхнего уровня пластинчатых электродов 14, но ниже верхней кромки входной перегородки 17.

Емкость 10 снабжена сливным патрубком 22, расположенным под верхней кромкой входной перегородки 17.

Возможны различные способы крепления пластинчатых электродов 14 в емкости 10. Например, крайние в электродной кассете 13 электродные пластины могут быть снабжены хвостовиками (не показаны), с помощью которых они подвешиваются на утолщенных краях (не показаны) емкости 10. Средние электродные пластины крепятся между крайними и между собой шпильками. При этом на дне емкости расположена перекладина с пазами (не показана), в которые устанавливаются нижние кромки электродных пластин.

Могут быть предложены и другие варианты данного изобретения, не выходящие за пределы его объема, определенного прилагаемой формулой изобретения.

Предлагаемый проточный электролизер работает следующим образом.

Минерализованная вода, содержащая 1,5-15 г/л хлорида натрия, самотеком из резервуара 3 поступает через входной патрубок 11 в камеру 19 ввода, направляющую минерализованную воду по каналу 16 вдоль дна емкости 10 под пластинчатыми электродами 14. Протекая под нижними кромками пластинчатых электродов 14, минерализованная вода поступает в межэлектродные зазоры кассет 13, подключенных параллельно к стабилизированному пульту электропитания 15.

При прохождении электрического тока через протекающую в межэлектродных зазорах минерализованную воду, содержащую хлорид натрия, происходит электролитическое разложение водного раствора хлорида натрия с выделением свободного водорода.

Химическая реакция в упрощенном виде может быть показана следующим образом:

Водород в виде пузырьков поднимается вверх в межэлектродных зазорах, увлекая за собой минерализованную воду. Подъемная сила этих пузырьков увеличивает скорость течения минерализованной воды в межэлектродных зазорах, тем самым затягивая ее из околодонного потока. При этом в потоке над пластинчатыми электродами 14 будет собираться продукт электролиза гипохлорид натрия. Раствор гипохлорита натрия, переливаясь через верхнюю кромку выходной перегородки 18, поступает в выходную камеру 20, откуда через патрубок 12 самотеком поступает в буферный резервуар 7.

Авторами было теоретически обнаружено и экспериментально подтверждено, что электролиз слабоконцентрированных растворов хлорида натрия 1,5-15 г/л энергетически выгоден при коэффициенте перевода хлорида натрия в гипохлорит натрия, близком к 10% Поэтому наличие значительно более широких, чем межэлектродные зазоры каналов между электродными кассетами 13, объединяющими пластинчатые электроды 14, а также канала 16 под пластинчатыми электродами 14, обеспечивающего равномерную подачу раствора хлорида натрия ко всем электродным кассетам 13, позволяет пропускать через электролизер в ламинарном режиме с наименьшим гидравлическим сопротивлением весь расход минерализованной воды, требуемый для получения заданного количества гипохлорита натрия.

Проведенные испытания показали возможность создания проточного электролизера со следующими основными параметрами:
Производительность по активному хлору, кг/ч не менее 1,5;
Расход минерализованной воды, м³/ч 1,0 9,0;
Ток на электродах, А 250 400;
Напряжение на электродах, В 22;
Потребляемая мощность на 1 кг активного хлора, кВт/кг а.х. не более 7.

Поскольку подземная вода одного месторождения имеет постоянные физико-химические характеристики: химический состав (в том числе концентрацию хлорида натрия), температуру, давление и пр. а также благодаря проточному режиму электролиза при самотечной подаче минерализованной воды, на выходе электролизера будет раствор гипохлорита натрия заданной концентрации, пригодный для употребления без дополнительного контроля. При этом отпадает необходимость в специальном контрольном оборудовании, упрощается обслуживание станций водоподготовки, что удешевляет весь способ обработки воды гипохлоритом натрия.

Изобретение относится к электрохимии и касается способа обработки воды гипохлоритом натрия, производимым на месте потребления путем электролиза водного подземной минерализованной воды с содержанием хлорида натрия от 1,5 до 15 г/л. Электролиз осуществляют в проточном режиме при самотечной подаче минерализованной воды. Предлагается также проточный электролизер, включающий емкость с входным и выходным патрубками и камерами ввода и вывода растворов, установленные в емкости между указанными камерами, вертикальные пластинчатые электроды, сгруппированные в параллельно расположенные и разнесенные друг относительно друга параллельно включенные электродные кассеты, каждая из которых содержит два крайних монополярных и промежуточные биполярные электроды с минимальными межэлектродными зазорами. Нижние кромки пластинчатых электродов расположены на расстоянии от дна емкости, образуя канал для протекания под ними раствора хлорида натрия в ламинарном режиме. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ обработки воды гипохлоритом натрия, включающий введение в обрабатываемую воду раствора гипохлорита натрия, производимого на месте его потребления путем электролиза подземной минерализованной воды, содержащей хлорид натрия, отличающийся тем, что используют минерализованную воду, содержащую 1,5 15,0 г/л хлорида натрия и добываемую на месте производства гипохлорита натрия, электролиз осуществляют в проточном режиме при коэффициенте перевода хлорида натрия в гипохлорит (10 ± 2)% при этом добываемую минерализованную воду закачивают в резервуар, из которого обеспечивают самотечную ее подачу с заданным расходом в электролизер. 2. Проточный электролизер для получения раствора гипохлорита натрия из раствора хлорида натрия, включающий емкость с входными и выходными патрубками и камерами ввода и вывода растворов и размещенные в емкости между указанными камерами моно- и биполярные пластинчатые электроды, установленные вертикально и параллельно друг другу, отличающийся тем, что электролизер снабжен разнесенными одна относительно другой кассетами, в которых с межэлектродным зазором от 1 3 мм установлены электроды, монополярные электроды размещены по краям кассет и включены параллельно, при этом нижние кромки электродов отстоят от дна емкости, образуя канал для протекания под ними раствора хлорида натрия, а емкость снабжена средством, направляющим входной поток раствора хлорида под пластинчатые электроды, и средством, направляющим раствор гипохлорита натрия к выходному патрубку над верхними кромками пластинчатых электродов. 3. Электролизер по п.2, отличающийся тем, что входной патрубок выполнен в верхней части емкости, а выходной в нижней ее части, средства, направляющие входной и выходной потоки, выполнены в виде входной и выходной вертикальных перегородок, установленных в емкости параллельно пластинчатым электродам, образуя входную и выходную камеры, при этом нижняя кромка входной перегородки расположена над дном емкости не ниже нижнего уровня пластинчатых электродов, а верхняя ее кромка выше уровня пластинчатых электродов, нижняя кромка выходной перегородки закреплена на дне емкости, а верхняя кромка расположена не ниже верхнего уровня пластинчатых электродов, но ниже верхней кромки входной перегородки. 4. Электролизер по пп.2 4, отличающийся тем, что емкость снабжена дополнительным сливным патрубком, расположенным под верхним краем входной перегородки.