Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения электролитического гипохлорита натрия

Изобретение относится к технологии получения электрохимического гипохлорита натрия, который обладает сильным окислительным действием, используется для обеззараживания бытовых, промышленных сточных вод, а также при подготовке питьевой воды.

Известен способ получения гипохлорита натрия (NaОCl) путем пропускания газообразного хлора (Cl₂) через насыщенный раствор гидроксида натрия (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.

Известен способ проведения электролиза солевого раствора, к которому добавляют жидкий агент (гипохлорит натрия) с последующим электролизом, что позволяет снизить расход водного раствора соли и электроэнергии (RU №2361966, МПК С25В 1/26, опубл. 20.07.2009).

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.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения раствора гипохлорита натрия на месте потребления путем электролиза природных электролитов - подземных минерализованных и морских вод. При реализации данного способа эксплуатационные расходы определяются, в основном, затратами электроэнергии. Поэтому, с целью снижения энергетических затрат, процесс проводят в направлении получения слабоконцентрированных растворов гипохлорита натрия с содержанием активного хлора 0,2÷1,0 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 (Г.Л. Медриш, А.А. Тейшева, Д.Л. Басин. «Обеззараживание природных и сточных вод с использованием электролиза», М., Стройиздат, 1982).

Недостатком данного способа является получение слабоконцентрированных растворов гипохлорита натрия с низкой реакционной способностью, неоднородность электролита, требующая усреднения.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в воздействии ультразвука на подземную солесодержащую воду и сопровождается образованием микроскопических газовых включений, которые способны надтепловым путем, т. е. без нагрева, изменить химические свойства воды. Надтепловой механизм передачи энергии делает их экономичнее термических. В результате взаимодействия ультразвуковых волн с водой возникает сонохимическое действие, включающее обеззараживание, нагрев, диспергирование, кавитацию. При расширении кавитационных пузырьков-зародышей, попадающих в область пониженного давления, в пузырек испаряется вода и диффундирует растворенный в воде кислород. При распространении ультразвуковой волны в воде, содержащей ионы солей (хлорид натрия и др.), амплитуды и фазы колебаний разноименно заряженных частиц различны. В водной среде возникает переменный электрический потенциал - вибропотенциал, который для хлорида натрия в воде равен 3-10 мкВ⋅с/см. Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук инициирует химические реакции, приводит к интенсивному и более полному растворению натриевой соли, что существенно усиливает активирующее воздействие и оказывает влияние на характер изменения концентрации обрабатываемой воды. При обработке ультразвуком происходит интенсивное перемешивание воды, что приводит к усредненной концентрации веществ во всем объеме обрабатываемой воды. Таким образом, решается проблема неоднородности распределения хлорсодержащих веществ в обрабатываемой воде. Присутствие в воде значительного количества ионов, способных проводить электричество, высокая гомогенность водной системы приводят к изменению режима последующего электролиза (отсутствию пульсаций тока) и получению гипохлорита натрия с высокой реакционной способностью. Все это вызвано образованием в воде большого количества активных частиц.

Пример. Для повышения выхода продуктов электролиза и увеличения активности гипохлорита натрия природную подземную минерализованную воду с концентрацией хлоридов 49,6 г/л подвергают воздействию ультразвука продолжительностью 15минут с частотой 42кГц (ультразвуковая мощность 50 Вт), интенсивностью 5 Вт/см² в ультразвуковом реакторе, а затем осуществляют электролиз в разных режимах обработки (при силе тока 2А продолжительностью 17 мин. и при силе тока 4А продолжительностью 25 минут).

Ультразвуковое воздействие приводит к структурным преобразованиям, изменению энергетического состояния хлора и его производных, способствует переходу молекул и компонентов воды в электронно-возбужденное состояние с образованием активных частиц, обеспечивающих инициирование химических превращений с получением гипохлорита натрия в последующем процессе электролиза воды.

Результаты исследования приведены в таблице. В воде неактивированной ультразвуком концентрация активного хлора ниже в 1,46-1,50 раза по сравнению с гипохлоритом, полученным из воды, прошедшей обработку ультразвуком. При ультразвуковой обработке гидратация ионов является главной причиной электролитической диссоциации в воде, вызывая изменение ее макроскопических свойств с образованием новых пар ионов гипохлорита. При этом гипохлорит обладает более высокой химической активностью. Это обусловлено реакциями возбужденных молекул, которые, неся в себе избыточную энергию, вызывают увеличение числа активных частиц (Таблица).

Использование изобретения открывает возможность получать безреагентным способом гипохлорит натрия с увеличенным выходом целевого продукта. 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. В конечном итоге предлагаемая безреагентная технология позволяет экономить энергию, наиболее эффективно использовать природные ресурсы, а именно подземные минерализованные воды, что в целом приводит к значительной экономии средств.

Таблица

Результаты исследований по получению электролизного гипохлорита натрия с применением ультразвука