СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕЗИНФЕКТАНТА НА ОСНОВЕ ГИПОХЛОРИТА НАТРИЯ Российский патент 2024 года по МПК C25B1/26 A61L2/18 A61L101/06 A61L101/14 A61L101/20 A61L101/26 

Настоящее изобретение относится к области химических технологий, а именно, технологии получения гипохлорита натрия путем электролиза подземных минерализованных и морских вод на месте потребления, и может быть использован для получения раствора гипохлорита натрия с целью обеззараживания бытовых, промышленных сточных вод, а также для дезинфекционной обработки помещений, животноводческих комплексов, в ветеринарии, при обработке сельскохозяйственной продукции.

В качестве дезинфицирующих в основном используют растворы гипохлорита натрия (ГХН), которые по своим экологическим и санитарно-гигиеническим показателям превосходят традиционный дезинфектант - жидкий хлор. Раствор гипохлорита натрия, являясь сильным окислителем, обладает антимикробными свойствами и проявляет не только дезинфицирующее воздействие на территориях животноводства, но и оказывает стимулирующее воздействие на развитие растений и зерновых культур.

Использование гипохлорита натрия в сельском хозяйстве является инновационной технологией, обладающей многофункциональным применением для различных нужд сельского хозяйства: обработке при хранении зерна и борьбы с вредителями сельскохозяйственных и плодоовощных культур (Наумова О.В., Карпов М.В. Особенности использования гипохлорита натрия в сельском хозяйстве - Аграрный научный журнал, 2023, № 9, с. 120-127); биоцидной обработке растений (патент RU 2483544); обеззараживания органических отходов животноводства, свиноводства и птицеводства (патент RU 2552072); дезинфекции при сальмонеллезе овец (Ветеринария: Министерство сельского хозяйства РФ, АИО «Редакция журнала «Ветеринария» № 5, 2009, 14-15 стр.) и др.

Известны различные способы электрохимического получения гипохлорита натрия. Известен способ получения ГХН, состоящего из смеси активных ионов натрия и оксидов хлора, образующихся при электролизе водного раствора хлорида натрия. При этом, ионы оксидов хлора (ClO^-), взаимодействуя с ионами натрия (Na⁺), образуют гипохлорит и продукты электролиза, которые свободно смешиваются в электрохимическом процессе (Гипохлориты -Химическая энциклопедия под ред. И.Л. Кнунянц И.Л. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т.1 - С 1121-1122).

Низкоконцентрированный гипохлорит натрия получают электролизом искусственно приготовленных растворов поваренной соли (Фесенко Л.Н., Денисов В.В., Скрябин А.Ю. Дезинфектант воды - гипохлорит натрия: производство, применение, экономика и экология (монография) // Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2012. - 246 с).

К недостаткам способов можно отнести низкую экономическую эффективность и большие затраты энергоресурсов при невысоком выходе целевого продукта.

Способ получения электрохимического гипохлорита натрия, описанный в патенте RU 2616622, позволяет повысить выход продуктов электролиза путем предварительной обработки воды или смеси воды с хлорсодержащими солями импульсным высоковольтным разрядом (7-10 кВт), основанный на электрогидравлическом эффекте с последующим электролизом. В конечном итоге данный способ позволяет получать концентрированный гипохлорит с меньшим уровнем загрязнения и увеличенным выходом целевого продукта.

К недостаткам данного способа следует отнести использование специального дорогостоящего оборудования, кроме того, применение поваренной соли, как и в рассмотренных выше способах, влечет за собой необходимость ее приобретения, хранения, а для приготовления водных растворов (насыщенного 30% и рабочего 3%) - специальной подготовки воды (умягчение или декарбонизация) для ее растворения.

Использование в качестве электролита природных подземных вод позволяет отказаться от этапа искусственного приготовления хлоридного раствора, что упрощает технологию получения дезинфектанта на месте его потребления и снижает эксплуатационные затраты. Использование природных хлоридсодержащих вод позволяет снизить себестоимость готового продукта и существенно упрощает и удешевляет производство ГХН, так как эксплуатационные расходы определяются, в основном, затратами электроэнергии.

Известен способ получения раствора гипохлорита натрия на месте потребления путем электролиза природных электролитов - подземных минерализованных и морских вод. С целью снижения энергетических затрат, процесс проводят в направлении получения слабоконцентрированных растворов гипохлорита натрия с содержанием активного хлора 0,2-4,0 г/л. При реализации данной схемы электролит без какой-либо предварительной обработки с заданным расходом подается на электролизную установку, а затем в бак-накопитель гипохлорита натрия или прямо в обрабатываемые системы (Медриш Г.Л., Тейшева А.А., Басин Д.Л.. Обеззараживание природных и сточных вод с использованием электролиза, М, Стройиздат, 1982).

Недостатком данного способа является получение слабоконцентрированных растворов гипохлорита натрия с низкой реакционной способностью и неоднородностью электролита.

Известен способ получения электролитического гипохлорита натрия электролизом природной минерализованной воды, характеризующийся тем, что перед электролизом воду подвергают ультразвуковому воздействию продолжительностью 15 минут с частотой 42 кГц, ультразвуковой мощностью 50 Вт, интенсивностью 5 Вт/см в ультразвуковом реакторе. В конечном итоге предлагаемая безреагентная технология позволяет снизить потребление энергии, наиболее эффективно использовать природные ресурсы, а именно подземные минерализованные воды, что в целом приводит к экономии средств (патент RU 2722175).

К недостаткам данного способа следует отнести сложность технологического оборудования и необходимость квалифицированного обслуживающего персонала.

Получение дезинфектанта для нужд фермерских хозяйств на месте его потребления предполагает применение простых способов реализации с использованием доступных реагентов и надежного простого в обслуживании оборудования.

Наиболее важным противомикробным средством является хлорноватистая кислота, входящая в состав коммерческих растворов гипохлорита натрия, которая представляет компонент более высокой биоцидной активности, а ее концентрация является обратной функцией рН. Поэтому для безопасного использования в различных отраслях сельского хозяйства необходимо контролировать величину рН, предпочтительное значение которой должно находиться в интервале от 5 до 8.

Известна биоцидная комбинация на основе гипохлорита для применения в сельском хозяйстве с регулируемым значением рН. Комбинация включает раствор гипохлорита натрия и/или калия и активирующий агент, регулирующий значение рН. Указанный раствор и указанный активирующий агент расфасованы в такой дозировке, чтобы после смешения обеспечить различные значения рН от 5 до 8. При этом в качестве активирующего агента используют каустическую соду и/или поташ, катионообменную смолу в кислотной форме, а в качестве буферного раствора гидрофосфат натрия или калия (патент RU 2483544).

К недостаткам данного способа следует отнести сложность технологического процесса: трудоемкость при дозировании компонентов, длительность, а также многокомпонентность применяемых реактивов, что увеличивает затраты и ограничивает его применение в небольших фермерских хозяйствах.

Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке простого экономичного способа получения дезинфектанта на основе гипохлорита натрия на месте его потребления за счет использования природных минерализованных хлорсодержащих вод, обладающего антимикробными свойствами и при этом имеющего низкую токсичность, а также расширение арсенала известных биоцидов для нужд фермерских хозяйств.

Для достижения данного технического результата предложен способ получения дезинфектанта на основе гипохлорита натрия, полученного прямым электролизом природных минерализованных хлорсодержащих вод с последующим доведением до требуемого уровня рН за счет активирующего агента. В качестве активирующего агента, регулирующего рН в пределах 7-8, используют H₃BO₃ и/или CuSO₄ при следующем соотношении компонентов активирующего агента на 100 мл раствора гипохлорита натрия, г: при использовании Н₃ВО₃ - 0,6-3,0; при использовании CuSO₄ - 0,3-0,6; при совместном использовании Н₃ВО₃ и CuSO₄ (1:1) - 0,3-0,9.

Преимущество способа состоит в использовании природных ресурсов при получении дезинфектанта на основе гипохлорита натрия непосредственно на месте потребления. Кроме того, в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур использование микроэлементов бора и меди, являющихся биостимуляторами, положительно воздействует на процессы роста и развития.

Существенным и новым является снижение себестоимости готового продукта за счет использования природных минерализованных хлорсодержащих вод в качестве сырья и минимизации дополнительных компонентов для доведения раствора до требуемой величины рН, используя доступные и дешевые реагенты - борную кислоту и медный купорос, при их сбалансированной концентрации в необходимых количествах и сочетаниях.

Предлагаемый способ опробован и предложен к реализации в Республике Калмыкия, территория которой относится к аридным зонам с характерным сухим климатом и наличием поверхностных и подземных вод, имеющих повышенную минерализацию. Данные анализа поверхностных вод четырех районов Калмыкии указывают на высокое содержание хлоридов, которые могут быть использованы как сырье при производстве ГХН, особенно озера Улан-Хол и Мелета с высокой степенью минерализации. Для доведения раствора до требуемой величины рН используют в небольших количествах доступные и недорогие реагенты.

Получение низкоконцентрированного ГХН основано на электролизе в бездиафрагменном электролизере водных растворов хлоридов щелочных металлов.

На аноде происходит образование хлора:

который гидролизуется согласно реакции:

На катоде происходит разряд молекул воды с образованием щелочи и водорода:

Одновременно на аноде возможен разряд молекул воды и OH^-

Далее продукты гидролиза хлора - соляная (HCl) и хлорноватистая кислоты (HClO) взаимодействуют с щелочью (OH^-), образуя раствор ГХН.

Суммарный процесс электролиза можно выразить уравнением:

Таким образом, при электролизе нейтрального раствора хлорида натрия конечными продуктами будут гипохлорит натрия и газообразные кислород и водород. Такой электролит имеет щелочную среду (рН~8,5-9,5 единиц) и требует доведения раствора до приемлемой величины рН для безопасного применения в различных отраслях сельского хозяйства.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в разработке простого экономичного способа получения дезинфектанта на основе гипохлорита натрия за счет использования природных минерализованных хлор-содержащих вод. Производство дезинфектанта может быть организовано непосредственно на месте потребления с помощью простой малогабаритной установки. Кроме того, дезинфектант обладает достаточными бактерицидными и в то же время безопасными свойствами за счет регулирования рН до требуемого уровня. Использование в различных областях сельского хозяйства дезинфектанта, полученного предлагаемым способом, в конечном счете, позволит повысить плодородие и увеличить объем и качество урожая, способствовать улучшению экологического состояния окружающей среды за счет обеззараживания органических отходов животноводства, свиноводства и птицеводства пр.

Сущность способа поясняется примерами, таблицами и иллюстрациями. Фиг. 1 - схема установки бездиафрагменного электролизера, где 1 - емкость исследуемого раствора; 2 - блок питания; 3 - электролизная ячейка; 4 - насос подачи солевого раствора; 5 - рН-метр со встроенным термометром; 6 - накопитель ГХН раствора; 7 - электроды; 8 - рН-метр; 9 - термометр, 10 - пробоотборник.

Фиг. 2 - Диаграмма гипотетического состава солей воды

Табл. 1 - Химический состав воды озера Улан-Хол

Табл. 2 - Зависимость рН гипохлорита натрия от компонентов активирующего агента (Примеры).

Для реализации производства ГХН требуется три условия: наличие хлоридов в воде, достаточная ее электропроводность и электрическая энергия. Получение низкоконцентрированного ГХН основано на электролизе в бездиафрагменном электролизере водных растворов хлоридов щелочных металлов. В качестве сырья для производства ГХН были использованы поверхностные воды озера Улан-Хол, химический состав которых по основным показателям (концентрация ионов в мг-эквивалент/дм³) представлен в табл. 1 и на Диаграмме гипотетического состава солей воды (фиг 2). Отбор проб производился в сентябре 2023 года Способ апробирован в реальных условиях на территории Калмыкии с помощью разработанной установки (фиг. 1). Основной частью установки является источник питания 2 и бездиафрагменная электрохимическая ячейка 3, выполненная из прозрачного винипласта с рабочим объемом 60 мл с входными и выходными штуцерами для протока раствора и с закрепленными на крышке двумя электродами 7 размером 64×62 мм каждый. Опыты вели на оксидных электродах, выполненных из ОРТА (оксидный рутениево-титановый анод) при плотности тока - 1000 А/м². Исследуемый раствор - поверхностные воды озера Улан-Хол подавали в электролизер с постоянным расходом 0,48 дм³/ч перистальтическим насосом 4 из емкости 1. Перед подачей измеряли температуру и рН, при этом рН исходного сырья составил 9,3. Полученный в результате электролиза ГХН раствор, подавали в накопитель 6, где повторно измеряли температуру и рН. Концентрация активного хлора в растворе определялась методом йодометрии и составила 5,3 г/л.

Ниже представлены конкретные примеры, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата. На 100 мл раствора ГХН (рН 9,3), полученного в результате электролиза, вводили различное количество активирующего агента по отдельности Н₃ВО₃ или CuSO₄ и совместно. Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Таким образом, для получения растворов дезинфектанта в пределах необходимого уровня рН 7-8 потребуется максимальная масса добавляемого реактива активирующего агента на 100 мл раствора гипохлорита натрия: при использовании CuSO₄ - 0,6 г (рН 6,83); при использовании Н₃ВО₃ - 3,0 г (рН 6,99); при совместном использовании (1:1) - 0,9 (рН 6,95).

Результатами экспериментальных исследований подтверждена возможность получения гипохлорита натрия прямым электролизом воды на примере озера Улан-Хол с последующим доведением до требуемого уровня рН при минимальном расходе реагентов. А при электролизе с анодной плотностью тока 1000 А/м² возможно достичь максимальной концентрации по активному хлору - 5-7 г/дм³.

Изобретение относится к технологии получения дезинфектанта на основе гипохлорита натрия путем электролиза подземных минерализованных и морских вод на месте потребления, и может быть использовано для обеззараживания бытовых, промышленных сточных вод, а также для дезинфекционной обработки помещений, животноводческих комплексов, в ветеринарии и при обработке сельскохозяйственной продукции. Способ получения дезинфектанта на основе гипохлорита натрия включает прямой электролиз природных минерализованных хлорсодержащих вод с последующим доведением до требуемого уровня рН за счет активирующего агента. В качестве активирующего агента, регулирующего рН в пределах 7-8, используют Н₃ВО₃ и/или CuSO₄ при следующем соотношении компонентов активирующего агента на 100 мл раствора гипохлорита натрия с pH 9,3, г: при использовании Н₃ВО₃ - 0,7-3,0; при использовании CuSO₄ - 0,3-0,5; при совместном использовании Н₃ВО₃ и CuSO₄ (1:1) - 0,3-0,8. Способ является простым и экономичным, производство дезинфектанта может быть организовано непосредственно на месте потребления с помощью простой малогабаритной установки. Полученный дезинфектант обладает достаточными бактерицидными и в то же время безопасными свойствами за счет регулирования рН до требуемого уровня. 2 ил., 2 табл.

Способ получения дезинфектанта на основе гипохлорита натрия, полученного прямым электролизом природных минерализованных хлорсодержащих вод с последующим доведением до требуемого уровня рН за счет активирующего агента, отличающийся тем, что в качестве активирующего агента, регулирующего рН в пределах 7-8, используют Н₃ВО₃ и/или CuSO₄ при следующем соотношении компонентов активирующего агента на 100 мл раствора гипохлорита натрия с pH 9,3, г:

при использовании Н₃ВО₃ - 0,7-3,0;

при использовании CuSO₄ - 0,3-0,5;

при совместном использовании Н₃ВО₃ и CuSO₄ (1:1) - 0,3-0,8.