Результат интеллектуальной деятельности: КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ИЛИ ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ДИОКСИДА ХЛОРА

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к производству диоксида хлора (ClO₂) и, в частности, к подходящему электродному элементу и к каталитическому способу получения диоксида хлора.

Предпосылки изобретения

Исторически ClO₂ получали в промышленности по реакции в водном растворе между хлоратом металла, таким как хлорат натрия (NaClO₃), и относительно сильной кислотой, такой как серная, фосфорная или соляная кислота.

Обычно в процессах получения ClO₂ используется сырье, содержащее хлорат щелочного металла, обычно NaClO₃, а также галогенидную соль щелочного металла или другие восстановители. Натрийхлоратное сырье для такого способа получения ClO₂ типично получают электролизом солевого раствора хлорида натрия любым хорошо известным способом. Когда в качестве восстановителя используются хлориды, смесь соляного раствора и хлората подают напрямую в один или более реакторов, где сырье контактирует с желаемой кислотой и вступает в реакцию с образованием ClO₂. Из-за необходимой высокой кислотности, например, 5-10н кислоты, в сочетании с потребностью в восстановителе, мелкомасштабное производство ClO₂ из NaClO₃ не практикуется. Примеры способов получения ClO₂ путем электрохимического или каталитического восстановления хлората натрия в сильной кислоте приводятся, например, в патентах US4501824, US426263, US4381290 и US4362707. Эти известные из уровня техники сведения позволяют обойтись без необходимости в отдельном восстановителе, но все еще требуют химического поступления кислоты в процесс.

Сущность изобретения

Различные аспекты изобретения изложены в приложенной формуле изобретения.

По одному аспекту изобретение относится к электродному элементу, содержащему подложку из вентильного металла; первый каталитический компонент, нанесенный на упомянутую подложку, причем упомянутый первый каталитический компонент пригоден для выделения кислорода из водного раствора при анодной поляризации; второй каталитический компонент, пригодный для образования диоксида хлора из раствора хлората в кислой среде; причем упомянутые первый и второй каталитические компоненты электрически изолированы друг от друга.

Благодаря упомянутой выше конструкции, анодное выделение кислорода с последующим образованием протонов вызывает снижение локального pH раствора у поверхности второго каталитического компонента. Другими словами, электрохимическая анодная реакция дает концентрацию кислоты, подходящую для осуществления каталитического восстановления хлората до диоксида хлора без необходимости какого-либо добавления кислоты извне. Следовательно, электродный элемент по изобретению подходит для получения диоксида хлора, исходя только из воды и раствора хлората, таким образом позволяя исключить обращение с сильными неорганическими кислотами, такими как серная кислота.

При этом под электродным элементом здесь понимается цельный электрод, содержащий два отдельных каталитических компонента, расположенных в единственной отдельно стоящей детали, причем эти два каталитических компонента либо разнесены друг от друга посредством подходящей изолирующей прокладки, либо находятся в плотном контакте, но электрически изолированы друг от друга.

В одном варианте осуществления второй каталитический компонент электродного элемента нанесен на керамический носитель. Керамический носитель может, например, быть в виде дискретной керамической среды, такой как седловидные насадки для дистилляционных колонн.

В другом варианте осуществления второй каталитический компонент электродного элемента нанесен на металлический носитель.

Этот второй каталитический компонент может быть необязательно поляризован до более низкого потенциала, чтобы усилить образование диоксида хлора.

В одном варианте осуществления второй каталитический компонент электродного элемента соединен с источником питания.

В одном варианте осуществления первый каталитический компонент электродного элемента содержит оксиды благородных металлов.

В одном варианте осуществления в электродном элементе по изобретению второй каталитический компонент является смесью оксидов благородных металлов, выбранных из группы, состоящей из оксида рутения, оксида иридия, оксида палладия, оксида родия и оксида платины. Необязательно, второй каталитический компонент содержит также оксид вентильного металла.

В одном варианте осуществления второй каталитический компонент электродного элемента выполнен в виде керамических или металлических листа или сетки или пористого материала.

По другому аспекту изобретение относится к электролитической ячейке, содержащей по меньшей мере один описанный выше электродный элемент.

В одном варианте осуществления электролитическая ячейка оборудована электродными элементами, расположенными как массив нанесенных на подложки первых каталитических компонентов и вторых каталитических компонентов, вставленных друг в друга (переслоенных), причем первые и вторые каталитические компоненты взаимно изолированы.

По еще одному аспекту изобретение относится к способу получения диоксида хлора на каталитическом компоненте, включающему этапы:

- обеспечение электрохимической ячейки, содержащей по меньшей мере один катод и по меньшей мере один электродный элемент по п. 1 формулы в качестве анода;

- подача в упомянутую ячейку водного сырья, содержащего раствор хлората;

- подвергание электролизу упомянутого сырья пропусканием электрического тока между катодом и анодом с образованием тем самым кислорода и кислотности на поверхности упомянутого первого каталитического компонента и поступлением кислотности в окрестности поверхности упомянутого второго каталитического слоя;

- отделение и извлечение диоксида хлора, образованного на каталитическом слое.

Предпочтительно, раствор подвергают электролизу при температуре от 40°C до 90°C.

Следующие примеры приводятся, чтобы продемонстрировать конкретные варианты осуществления изобретения, практическая осуществимость которых в заявленном диапазоне значений была в целом подтверждена. Специалисты в данной области должны понимать, что составы и методы, раскрытые в нижеследующих примерах, представляют собой те составы и методы, которые обнаружены авторами изобретения как хорошо функционирующие при практическом применении изобретения; однако специалисты должны также понимать с учетом настоящего описания, что в раскрытые частные варианты осуществления можно внести много изменений и все-таки получить сходный или близкий результат, не выходя за объем изобретения.

Пример

Приготовили электрохимическую ячейку, содержавшую в качестве анода снабженный покрытием титановый стержень диаметром 0,5 см. Покрытие анода состояло из 10 г/м² смешанных оксидов иридия и тантала в мольном отношении 2:1. Снабженную покрытием просечно-вытяжную титановую сетку, служащую носителем для второго каталитического компонента (компонента катализатора), оборачивали вокруг указанного стержня с расположенной между ними прокладкой, чтобы обеспечить электроизоляцию. Покрытие титановой сетки состояло из 10 г/м² RuO₂/RhO₂ в мольном отношении 1:2. В качестве сырья-электролита подавали 2М раствор NaClO₃. Реакцию осуществляли при температуре 61°C и плотности анодного тока 50 мА/см².

Испытание проводили в течение 5 часов. Пробу отбирали каждый час и определяли ее характеристики в спектрофотометре УФ и видимой областей спектра (Hach DR 5000). На фигуре показано повышение концентрации диоксида хлора как функция времени.

Предшествующее описание не должно рассматриваться как ограничивающее изобретение, которое может применяться в соответствии с другими вариантами осуществления без выхода за его рамки и объем охраны которого определяется только прилагаемой формулой изобретения.

Во всем описании и формуле данной заявки термины «содержать», «включать» и такие их варианты, как «содержащий», «включающий» и «содержит», не предназначены исключать наличие других элементов, компонентов или дополнительных этапов способа.

Обсуждение документов, актов, материалов, устройств, изделий и т.д. включено в данное описание исключительно в целях обеспечения контекста для настоящего изобретения. Не предполагается и не представлено, что какой-либо или все эти объекты составляют часть основополагающего уровня техники или были общеизвестными сведениями в области, имеющей отношение к настоящему изобретению, до даты приоритета каждого пункта формулы изобретения данной заявки.