Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения электрохимического гипохлорита натрия

Изобретение относится к технологии получения электрохимического гипохлорита натрия, который обладая более сильным окислительным действием, используется в здравоохранении и сельском хозяйстве для дезинфекции и стерилизации, а также в промышленном органическом синтезе для получения различных соединений.

Известен способ получения гипохлорита натрия (NaCl) путем пропускания газообразного хлора (Cl₂) через насыщенный раствор едкого натра (NaOH) [Губер Ф., Шмайсер М, Шенк П.В., Фехер Ф., Штойдель Р., Клемент Р. Руководство по неорганическому синтезу: в 6 томах // Перевод с немецкого / Под редакцией Г. Брауэра. - М.: Мир, 1985. - Т. 2. - С. 355-356].

Недостатком известного способа является неустойчивость соединения в свободном состоянии, большой уровень загрязнений хлорорганикой, характерный резкий запах и высокие коррозионные свойства.

Известен способ получения гипохлорита натрия, 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 / Главный редактор И.Л. Кнунянц. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1. - С. 1121-1122].

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

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является способ проведения электролиза солевого раствора, к которому добавляют жидкий агент (гипохлорит натрия) с последующим электролизом, что позволяет снизить расход водного раствора соли и электроэнергии [Климов М.В., Климова И.Г. Способ проведения электролиза водного раствора соли, патент №2361966, МПК А61L С25В, опубл. 20.07.2009 г., бюл. №20].

К недостатку известного способа следует отнести низкое качество водоподготовки и невозможность получения гипохлорита с высокой концентрацией активного хлора в растворе.

Это вызвано тем, что процесс активации связан только с получением озоно-воздушной смеси, путем создания электрического поля в воздушной среде между электродами напряжением 80-100 кВ, которая вызывает гибель микроорганизмов, окисление примесных включений и облегчает процесс очистки. Однако известный процесс не приводит к структурным изменениям воды.

Сущность поставленной задачи заключается в разработке и апробации ранее не известной технологии, обеспечивающей повышение выхода продуктов электролиза и реакционной способности гипохлорита натрия путем структурной перестройки как молекул воды, так и хлорида натрия.

Технический результат в способе получения электрохимического гипохлорита натрия достигается путем предварительной обработки воды или смеси воды с хлорсодержащими солями импульсным высоковольтным разрядом (7-10 кВ), основанным на электрогидравлическом эффекте, с последующим электролизом.

Известное техническое решение по использованию высоковольтного импульсного воздействия (напряженностью поля 20000 В/см в течение одной секунды) для очистки воды от бактерий, вирусов и паразитов [US 8524080 В1] оказывает активирующее воздействие только благодаря поляризации и ионизации жидкой среды при наложении электрического поля, а устройство для активации воды [RU 94044925 А1] включает процесс озонирования и получение ионов кислорода за счет обработки воздуха высоковольтными импульсными разрядами. Представленные технические решения оказывают только активирующее воздействие на воду и не способны влиять на структурные изменения воды и растворов.

Предлагаемое техническое решение по взаимодействию импульсного разряда с водой сопровождается как разрушением структуры воды (свободной и связанной), так и образованием в зоне разряда анионов ОН^-, которые интенсивно переходят в перекись водорода, в свою очередь распадающуюся на Н₂O и О, что вызывает энергичное окисление примесных загрязнений и уничтожение микроорганизмов. Использование в процессе обработки водо-солевого раствора электрогидравлического эффекта приводит к интенсивному диспергированию и более полному растворению натриевой соли, что существенно усиливает активирующее воздействие и оказывает влияние на характер изменения концентрации раствора. Присутствие в свободной воде и электролите значительного количества различных ионов, способных проводить электричество, высокая гомогенность приводят к изменению режима электролиза (отсутствию пульсаций тока) и получению гипохлорита с высокой реакционной способностью. Все это вызвано более глубоким разложением, образованием большего количества активных частиц и, в частности, сиглетного кислорода, обладающего высоким окислительным действием.

Пример 1

Для повышения выхода продуктов электролиза воду в количестве 1 л подвергают обработке высоковольтным разрядом 8 кВ, количеством импульсов 5, смешивают с хлоридом натрия 60 г, а затем осуществляют электролиз в течение 12 мин при токе 7 А.

Пример 2

Для повышения выхода продуктов электролиза, и увеличения активности гипохлорита, раствор хлористого натрия (1 л. Н₂O и 60 г. NaCl) подвергают высоковольтной обработке разрядом 8 кВ, количеством импульсов - 5, а затем осуществляют электролиз (ток 7 А, время 12 мин).

Высоковольтный разряд способствует переходу молекул воды и компонентов раствора в электронно-возбужденное состояние с образованием активных частиц, обеспечивающих инициирование химических превращений в процессе электролиза, а за счет воздействия положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных ионов, обеспечивается более высокая степень окисления воды. Электрогидравлический удар в процессе обработки воды и раствора приводит к структурным преобразованиям и изменению энергетического состояние хлора и его производных элементов.

На фиг.1, показано ослабление пучка света при его распространении в растворе, характеризующееся коэффициентом экстинкции, в результате электрогидравлического воздействия импульсных разрядов на раствор поваренной соли и последующего электролиза, где 1 - раствор поваренной соли (75 г. NaCl в 1 литре Н₂O); 2 - раствор поваренной соли, подвергнутый высоковольтной обработке (N=8 кВ, количество импульсов n=5); 3 - вода, подвергнутая высоковольтной обработке (N=8 кВ, количество импульсов n=5) перед растворением поваренной соли; Т - коэффициент экстинкции.

Это связано с изменением структуры воды и упорядоченностью распределения тонкодисперсного порошка в узлах сетки водородных связей за счет наноуровневого воздействия.

На основании полученных результатов можно сделать заключение, что под влиянием разрядного импульса высокого напряжения наблюдается образование структурных конформаций, определяющих растворяющую способность соли при подготовке водо-солевого раствора. Таким образом, используя предлагаемое техническое решение, удается увеличить растворимость соли и обеспечить гомогенизацию раствора.

Потребность в разработке высоких технологий возрастает и изучение фундаментальных свойств растворов не возможно без использования новых методов. При изучении водных сред применялся «амплитудный» метод «Транс-резонансной КВЧ/СВЧ радиоспектрометрии». В таблице представлены экспериментальные результаты, которые демонстрируют характерные изменения гипохлорита натрия к внешнему высоковольтному воздействию благодаря феноменальной чувствительности воды. Воздействие транс-резонансным ЭМ полем указывает на изменение интенсивности вторичных СВЧ радиооткликов (СВЧ «люминесценции») и энтропии гипохлорита, полученного по предлагаемому способу.

Таким образом, структурное и резонансно-волновое состояние стабилизированного гипохлорита натрия, полученного из раствора, подвергнутого электрогидравлическому удару аналогично состоянию стабилизированного дистиллята воды, а роль ионов соли хлористого натрия сводится к ассоциации части фрактальных кластеров и, как следствие, уменьшению их концентрации и, соответственно, снижению интенсивности СВЧ «люминесценции».

На фиг. 2 представлена зависимость изменения концентрации активного хлора при получении маточного раствора гипохлорита натрия в обработанной и необработанной воде и последующего разбавления (5 мг) в питьевой воде, где 1 - вода, не обработанная высоковольтным электрическим разрядом; 2 - вода, обработанная высоковольтным электрическим разрядом.

Полученный электролизом гипохлорит натрия в воде, активированной высоковольтным разрядом, отличается меньшим содержанием активного хлора в маточном растворе (50 мг/л) по сравнению с гипохлоритом, полученным из воды, не прошедшей обработки (100 мг/л) (фиг. 2). При традиционном способе электролиза поваренной соли наблюдается высокая концентрация насыщения. Это связано с тем, что в необработанной воде происходит неполная диссоциация раствора хлорноватистой кислоты, свидетельствующая о слишком малом количестве распавшихся в процессе реакции продуктов электролиза. При высоковольтной обработке гидратация ионов является одной из главных причин электролитической диссоциации в водном растворе, вызывая изменение макроскопических свойств растворителя (воды) с образованием новых пар ионов и сложных агрегатов.

В процессе растворения маточного раствора гипохлорита натрия водой до рабочих концентраций, наглядно видно, что гипохлорит, полученный из активированной воды, обладает более высокой химической активностью. Это обусловлено реакциями возбужденных молекул, которые, неся в себе избыточную энергию, вызывают размножение активных частиц, в ходе реакции химического превращения разбавляемого продукта. Благодаря механизму энергетического разветвления цепей в химической реакции, при разбавлении водой, наблюдается значительное повышение концентрации активного хлора до определенного максимального значения за счет молекул продуктов, несущих на себе избыточную энергию. Использование изобретения открывает возможность получать концентрированный гипохлорит с меньшим уровнем загрязнения и увеличенным выходом целевого продукта. В конечном итоге предлагаемая технология позволяет экономить энергию и наиболее эффективно использовать соль.