СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДНОГО РАСТВОРА СОЛИ Российский патент 1999 года по МПК C25B1/00 

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 ряд технических решений, направленных на увеличение выхода целевого продукта, получаемого путем электролиза водного раствора соли.

Так, например, известен способ, в котором для увеличения выхода раствора соли кислородсодержащей кислоты хлора (в частности гипохлорита натрия) проводят процесс электролиза раствора хлорида натрия при циркуляции электролита в замкнутом контуре [1].

В указанном способе увеличение выхода целевого продукта достигается путем многократного использования раствора электролита, что способствует более полной конверсии исходного рассола.

Известен способ проведения электролиза раствора хлорида щелочного металла с целью получения гипохлорита щелочного металла, осуществляемый в электролизере с разделенными анодным и катодным пространствами [2].

Согласно способу процесс электролиза осуществляют в непрерывном режиме, при этом производят подачу воды в дополнительную камеру, в которой растворяется твердая соль хлорида щелочного металла для образования исходного рассола, а также в катодную камеру, в которой вода служит католитом. В случае необходимости при увеличении потока подаваемой воды возможно получение более низких концентраций гипохлорита щелочного металла.

В указанном способе увеличение выхода целевого продукта осуществляется за счет донасыщения электролита свежими порциями исходного солевого раствора, а также за счет организации процесса протекания электрохимических реакций в электролизере, разделенном рядом сепарационных перегородок.

Известен способ проведения электролиза солевого раствора, выбранный автором за прототип [3]. Согласно способу осуществляют электролиз раствора хлорида натрия с целью получения гипохлорита натрия. Способ включает стадию электролиза солевого раствора, полученного на предыдущей стадии и содержащего непрореагировавшую соль и продукты электролиза. Электролиз осуществляют, последовательно пропуская электролит через ряд электролизных камер.

Увеличение выхода целевого продукта в указанном способе достигается за счет проведения процесса электролиза в несколько последовательных стадий при многократном использовании электролита, в результате чего происходит более полная конверсия исходной соли. Кроме того, для обеспечения эффективности процесса электролиза электролит периодически охлаждают в холодильных камерах, чем обеспечивается нормализация температурных условий протекания электрохимических реакций.

Приемы, применяемые в вышеуказанных способах, хотя и позволяют повысить выход содержащихся в растворе электролита продуктов электрохимических реакций, получаемых при электролизе солевых растворов, однако не являются достаточно эффективными.

Задачей, которую решает предлагаемый способ, является повышение выхода жидкофазного целевого продукта, получаемого электролизом солевого раствора.

Сущность предлагаемого способа 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, проводят последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора при разбавлении его водой при объемном соотношении раствора и воды 1:(0,15-2,00).

Новым в способе является то, что последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора осуществляют при разбавлении его водой при объемном соотношении раствора и воды 1:(0,15-2,00).

Главным отличием предлагаемого способа от известных способов является то, что после проведения начальной стадии электролиза исходного солевого раствора осуществляют дальнейший электролиз при добавлении воды к раствору, полученному на предыдущей стадии и содержащему, кроме неизрасходованных исходных реагентов, продукты электрохимических реакций (в том числе и целевой продукт).

Как показали эксперименты, вышеуказанный прием приводит к неожиданно высокому выходу целевого продукта.

Осуществление электролиза в несколько стадий способствует более полной конверсии исходных реагентов.

Разбавление водой электролита, подаваемого на последующую стадию электролиза, приводит к уменьшению концентрации реагирующих веществ в растворе электролита и к смещению реакций гидролиза находящихся в растворе продуктов электрохимического превращения в сторону увеличения количества диссоциированных ионов, участвующих в образовании целевого продукта, и, как следствие, его выход значительно увеличивается.

Кроме того, добавление воды в электролит способствует оптимизации температурных условий протекания электрохимических реакций, что повышает эффективность электролиза и также обеспечивает увеличение выхода целевого продукта. При этом в зависимости от конкретно осуществляемого процесса электролиза добавляют воду требуемой температуры.

Предлагаемый способ проведения электролиза может быть осуществлен в электролизерах как непрерывного, так и периодического действия. Способ может быть реализован с использованием одной и той же электролизной камеры с соответствующим увеличением времени электролиза по мере увеличения пропускаемого через него объема электролита или путем наращивания количества электролизных камер, через которые пропускают электролит, на каждой из последующих стадий электролиза.

На чертеже представлено схематичное изображение одного из возможных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа.

Способ осуществляют следующим образом.

В случае проведения процесса электролиза в электролизерах периодического действия приготовленный исходный раствор соли загружают в электролизер и проводят электролиз в требуемом для конкретного процесса режиме. По окончании процесса электролиза полученный раствор, содержащий непрореагировавшие исходные реагенты и растворенные продукты электрохимической реакции, в том числе и целевой продукт, разбавляют водой в соотношении объема раствора к объему воды 1: (0,15-2,00) и вновь подают на электролиз. По окончании процесса электролиза полученный раствор вновь разбавляют водой в указанном выше объемном соотношении и опять подвергают электролизу.

Операцию разбавления водой раствора, полученного на предыдущей стадии, с последующим его электролизом повторяют до тех пор, пока происходит заметное увеличение выхода готового продукта по сравнению с предыдущей стадией электролиза. Как показала практика, экономически целесообразно повторить операцию электролиза разбавленного водой электролита 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 солевой раствор подают сверху в межэлектродное пространство электролитической ячейки 1 электролизера 2. В нижнюю часть межэлектродного пространства ячейки 1 подают воду через патрубок 3.

Первая стадия электролиза исходного солевого раствора происходит в объеме электролитической ячейки 1, расположенной выше уровня подачи воды. Последующая стадия электролиза происходит при разбавлении раствора, содержащего непрореагировавшую исходную соль и продукты электрохимической реакции, в том числе и целевой продукт, и протекает в объеме электролитической ячейки 1, ограниченном по высоте уровнем подачи воды.

Раствор, содержащий целевой продукт, поступает в заэлектродное пространство, отделенное от электролитической ячейки перегородкой 4, через отверстие 5. Слив указанного раствора осуществляют через патрубок 6.

Требуемое соотношение объемов воды и электролита регулируется путем изменения расходов подаваемых исходного солевого раствора и воды.

Пример 1. Осуществляем электролиз 10% раствора хлорида натрия (NaCl) с целью получения раствора гипохлорита натрия (NaClO).

Электролиз проводили в электролизере периодического действия ящичного типа с неразделенным электродным пространством. Режим электролиза: U = 22 В; f = 0,5-0,6 А/см². 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^oC (объемное соотношение 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.

Таким образом, при разложении 300 г NaCl было получено 120,8 г NaClO, что является очень высоким результатом для рассматриваемого процесса электролиза.

Пример 2 (сравнительный). Проводили электролиз 10% раствора NaCl в количестве 3 л, как описано в примере 1, но без разбавления водой раствора на каждой из последующих стадий.

Количество полученного NaClO составило 15,9 г; на второй стадии - 21,0 г; на третьей стадии - 21,5 г; на четвертой стадии - 22,0 г. Дальнейшего увеличения количества NaClO не происходило.

Как показывает пример, значительного увеличения выхода получить не удалось, а количество NaClO, полученного в примере 1, почти в 6 раз выше, чем в рассматриваемом примере.

Пример 3. 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.

Режим электролиза: напряжение - 80 В, плотность тока - 0,6 А/см².

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.

Пример 4 (сравнительный). Осуществляли электролиз, как описано в примере 3, но без добавления воды. Объем солевого раствора - 253 л.

Концентрация NaClO в полученном растворе составила 6,0 г/л, что соответствует выходу 1518 г.

Как видно из примеров, количество NaClO, полученного в примере 3, значительно превышает количество продукта, полученного в примере 4.

Затраты электроэнергии в примерах 1 и 3 составили 6,0 - 6,5 кВт на 1 кг гипохлорита натрия (в пересчете на активный хлор).

Таким образом, приведенные примеры свидетельствуют, что в случае проведения процесса электролиза по предлагаемому способу удается достигнуть глубокой конверсии исходной соли (до 60% по активному хлору) при экономически приемлемых затратах электроэнергии.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 783363, C 25 B 9/00, 1980.

2. Патент РФ N 2057821, С 25 В 1/34, 1996 г.

З. Авторское свидетельство СССР N 262862, В 01 К 3/00, 1973.

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. Техническим результатом изобретения является повышение выхода жидкофазного целевого продукта, получаемого электролизом солевого раствора. Способ проведения электролиза водного раствора соли включает стадию электролиза исходного солевого раствора и последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора, содержащего продукты электролиза, при этом осуществляют последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора при разбавлении его водой при объемном соотношении раствора и воды 1 : 0,15 - 2. 1 ил.

Способ проведения электролиза водного раствора соли, включающий стадию электролиза исходного солевого раствора и последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора, содержащего продукты электролиза, отличающийся, тем что осуществляют последующий электролиз полученного на предыдущей стадии раствора при разбавлении его водой при объемном соотношении раствора и воды 1 : 0,15 - 2.