Способ получения диоксида хлора Советский патент 1993 года по МПК C25B1/26 

Изобретение относится к получению двуокиси хлора, по существу, в чистом виде, то есть, практически не содержащей хлора.

Двуокись хлора широко используют в качестве отбеливающего химического соединения, и известно его получение восстановлением хлората натрия в кислотной водной реакционной среде. Реакция; с помощью которой получают двуокись хлора, представлена уравнением:

СЮз + СГ + 2Н+ 1/2CI2 + H2.0

Как правило, поэтому хлор образуется .совместно с двуокисью хлора.

Целью изобретения является повышение чистоты получаемого продукта.

В соответствии с настоящим изобретением, предусматривается электролиз,-который осуществляют в катодном отделении

электролизера, разделенного катионообменной мембраной, в котором электролитически восстанавливают совместно полученный хлор и в котором расположен пористый катод. Ионы хлората, как правило в виде водного раствора хлората натрия, вводят в катодное отделение, в котором находятся ионы водорода и ионы хлорида. Ионы хлората восстанавливают с помощью ионов водорода и ионов хлорида в катодном отделении для получения двуокиси хлора, которую отводят из катодного отделения, в то время как подводят электрический ток для восстановления совместно полученного хлора до ионов хлорида. Ионы водорода образуются в результате электролиза в анодном отделении и перемещаются из анодного отделения в катодное отделение. Этим путем из хлоратного сырья с помощью

СО

со о

4 О 0

00

электролиза получают двуокись хлора с высокой степенью чистоты.

Двуокись хлора получают химическим образом в катодном отделении согласно уравнению:

№СЮз + 2Н+ + 2СР

СЮ2+ 1/2Cl2 + NaCI + H20

Хлор, полученный совместно с двуокисью хлора в катодном отделении, в соответствии с этим уравнением, электролитически восстанавливают до ионов хлорида, обеспечивая выход готовой двуокиси хлора из катодного отделения практически не содержащей хлора.

Попеременно вместе с одним молем хлорида натрия можно вводить в катодное отделение Т/2 моля хлора. В этом случае два моля Н+ переносятся из анодного отделения в катодное отделение для удовлетворения потребности в ионах водорода в этом процессе, в то время как 1/2 моля хлора, вводимого в катодное отделение, и 1 /2 моля хлора, полученного в качестве побочного продукта в катодном отделении, подвергаются электрохимическому восстановлению с образованием двух молей ионов хлорида.

На чертеже дано схематичное изображение электролизера для получения двуокиси хлора в соответствии с одним вариантом изобретения.

Водный раствор хлората.натрия подают потрубопроводу в катодное отделениеэлектролизера, в котором помещен пористый электрод. В катодное отделение по трубопроводу также вводят кислоту, предпочти тельно соляную. Водный раствор хлората натрия имеет концентрацию, достаточную для обеспечения, при наличии расхода относительно высокой концентрации хлората натрия в катодном отделении, 5-молярную, предпочтительно приблизительно 5-6,5 молярную. В электролизере имеется катионо- обменная мембрана, отделяющая катодное отделение от анодного отделения. После начальной загрузки оксикислоты в анодное отделение по трубопроводу подают воду, и ионы водорода, полученные в результате электролиза анолита, мигрируют через катионообменную мембрану в катодное отделение. Анолитный раствор серной кислоты подвергают рециркуляции. Миграция ионов водорода через катионообменную мембрану и ввод соляной кислоты по трубрпроводу обеспечивают общую кислотную нормальность в катодном отделении, равную по меньшей мере приблизительно 0,01 N, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 0,05 N. Кислород, полученный а качестве побочного продукта в процессе электролиза в анодном отделении, отводят

по трубопроводу из анодного отделения. В катодном отделении хлорат натрия, вступает в химическую реакцию с ионами водорода и ионами хлорида, полученными в

результате электролиза ионами водорода, переносимыми через катионообменную мембрану, и ионами хлорида, полученными в результате электролиза в катодном отделении, как описано ниже, с образованием

двуокиси хлора и хлора в соответствии со следующим уравнением: №еЮз + 2Н++2С1-

СЮ2+ 1/2Cl2 + NaCI + H20 Одна половина потребности в ионах водорода удовлетворяется за счет кислоты, подаваемой по трубопроводу, а остальная потребность в ионах водорода обеспечивается за счет ионов водорода, перемещаемых из анодного отделения.

Полученный в качестве побочного продукта хлор восстанавливают в электрохимических условиях, которые существуют в катодном отделении, избирательно по отношению к присутствующей в нем двуокиси

хлора. Полученные таким путем ионы хлорида обеспечивают половину потребности в ионах хлорида для химического восстановления хлората, остальная потребность в ионах хлорида обеспечивается при этом за

счет подачи соляной кислоты по трубопроводу, или из другого удобного внешнего ис- точника ионов хлорида, такого как, например, хлорид натрия.

В зависимости от условий электролиза

в катодном отделении, ионы хлорида можно получить непосредственно из полученного в качестве побочного продукта хлора в результате электрохимического восстановле; ния, в соответствии со следующим

уравнением:

1/2012+

В этой последней операции образование иона хлорида результируют таким образом, чтобы избежать последующего восстановления в результате электролиза хлорида, которое приводит к значительному образованию хлора..

Подача хлората натрия по трубопроводу и ввод ионов хлорида по трубопроводу, так

же как полученные электрохимически ионы хлорида обеспечивают соотношение между ионами хлората и хлорида в катодном отделении, равное приблизительно 1:1, предпочтительно от приблизительно 2:1 до

приблизительно 4:1.

Электродный потенциал, приложенный к катоду, является более положительным, чем -1 В, по сравнению с насыщенным каломельным электродом (НКЭ).

Электродный потенциал катода связан с потенциалом раствора. Пористый электрод характеризуется распределением потенциала своей структуры, и действительный потенциал будет зависеть от места определения и может быть более отрицательным, чем -1 В, относительно насыщенного каломельного электрода.

В катодном отделении предпочтительно поддерживают повышенную температуру для того, чтобы способствовать образованию двуокиси хлора. Как правило, используют температуру выше приблизительно 50°С. предпочтительно приблизительно 60-70°С.

Двуокись хлора, полученную в результа- те химической реакции, практически не содержащую хлора, отводят из катодного отделения в качестве целевого газового потока по трубопроводу. Этот поток двуокиси хлора можно использовать в дальнейшем, как описано, например, в отношении варианта, изображенного на фиг.2 ниже.

Побочный хлорид натрия из процесса химического производства двуокиси хлора удаляют из катодного отделения в виде вод- ного раствора по трубопроводу. Этот водный раствор хлорида натрия может быть направлен в электролизер для получения хлоратов с целью электролитического превращения в водный раствор хлората для возврата в катодное отделение с целью образования, по меньшей мере, частично хлората натрия в трубопроводе.

Материалы для изготовления таких электродов с низким перенапряжением из- вестны. Такие электроды в основном содержат подложку, в качестве которой используется титан, цирконий, тантал или гафний, с расположенным на ней электропроводящим покрытием, в качестве которо- го могут служить драгоценный сплав, например, платина, сплав драгоценного металла, например, платино-иридиевый сплав; оксид металла, например, окись рутения или диоксид титана; платинат, напри- мер, платинат лития или платинат кальция; или смеси двух или более таких материалов. Любой из этих материалов можно использовать для получения материала, служащего для изготовления катода с низким перенап- ряжением.

Электролизер, в котором осуществляют электролизное производство двуокиси хлора в соответствии с настоящим изобретением, может иметь любую удобную конструкцию. Как правило, электролизер разделен на ана- литное и католитное отделения и ионообменной мембраной, как правило, катионообменной мембраной, с тем, чтобы промотировать перенос ионов водорода и

предотвратить взаимодействие газов, полученных на аноде, обычно кислорода, с двуокисью хлора, электролитическое восстановление на катоде. Анод электролизера может быть изготовлен из любого необходимого электропроводящего материала, например, из графита или металла.

Обращаясь теперь к фиг.2, на ней можно увидеть соединение генератора двуокиси хлора, изображенного на фиг.1, с электролизером для получения хлората и хлоридобразующим электролизером.

Настоящее изобретение иллюстрируется при помощи следующего примера.

Экспериментальный электролизер был выполнен в соответствии с чертежом. Электролизер представлял собой обычный электролизер среднего давления фирмы Электроцал АБ, который был модифицирован под трехмерный электрод, образованный путем установки графитового войлока (поставляемого.Юнион Карбайд Корпорей- шен) в катодное отделение. Электролизер был разделен на анодное и катодное отделения катионообменный мембраной (НА- ФИОН 120). Площадь мембраны составила 1 дм , в то время как площадь катода по оценкам экспериментаторов приблизительно в 100-1000 раз превышала площадь мембраны. В качестве анода был использован стабильный по размерам электрод, выделяющий кислород.

Загрузка катодного отделения составила 8,626 молей хлората натрия, 2,356 молей хлорида натрия и 1,536 молей HCI. В качестве анолита использовали 6N H2S04. К катоду был приложен электродный потенциал около -0,7 вольт по отношению к НКЭ, при плотности тока 1,97 кА/м в течение периода времени, равного 4 часа, при температуре 70°С. В выходящем из катодного отделения потоке содержалось 7.659 молей NaCto и 3,548 молей NaCI. Отходящие газы были исследованы, и в них содержалось 0,626 молей CI02 и 0,68 молей Ch.

Чистота двуокиси хлора составляла 90,2%, выход химической реакции составил 82,2%.

Формула изобретения

Способ получения диоксида хлора, включающий обработку водного раствора, содержащего смесь ионов хлората, хлорида, водорода и щелочного металла, в мембранном электролизере, отличающийся тем, что, с целью повышения чистоты получаемого продукта, процесс ведут в катодной камере электролизера с катионообменной мембраной на пористом катоде при подаче исходной смеси в катодную камеру с концентрацией хлората щелочного металла не менее 5 м при потен- -1,0 В относительно каломельного электро- циале катода более положительном, чем да.

Двуокись хлора получают путем электролиза в катодном отделении электролизера с использованием пористого катода. Катодное отделение отделено от анодного отделения катионообменной мембраной. Хлорат натрия вступает во взаимодействие с ионами водорода и хлоридными ионами в катодном отделении, а двуокись хлора отводят из катодных отделений. Хлор, полученный в качестве побочного продукта двуокиси хлора, восстанавливают на катоде для получения хлоридных ионов для реакции, в то время как полученные в результате электролиза ионы водорода перемещаются через мембрану из анодного отделения в катодное отделение с целью получения ионов водорода для реакции. 1 ил.

С

МаСЮэ НО

Чт г)

.Ha,SO4

н+

нго

XI Ог

б±NdCI