RU169435U1

RU169435U1 - Установка для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия

Info

Publication number: RU169435U1
Application number: RU2016126920U
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Волков; Владимир Евгеньевич Брунман; Александр Викторович Коняшин; Михаил Владимирович Брунман; Ани Петрова Петкова; Владимир Алексеевич Дьяченко; Евгений Николаевич Аракчеев
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2017-03-17

Abstract

Полезная модель относится к области химического производства, в частности к оборудованию, предназначенному для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, применяемых для обеззараживания питьевой воды и очистки путем коагуляции промышленных, сельскохозяйственных и других стоков.Сущность полезной модели заключается в том, что в установке для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, включающей подключенные к источнику тока электролизные блоки, первый из которых предназначен для получения хлорсодержащих реагентов, а второй - для получения феррата натрия, при этом оба блока снабжены ионообменными мембранами, разделяющими пространство каждого блока на катодную и анодную камеры, и последние второго блока снабжены сепараторами водорода и кислорода соответственно и связаны с катодной камерой первого блока через промежуточную емкость накопления щелочи, анодная и катодная камеры первого блока снабжены сепараторами хлора и водорода соответственно, при этом каждая из них связана со своим сепаратором дополнительным трубопроводом, обеспечивающим процесс рециркуляции между сепаратором и камерой.Технический результат полезной модели состоит в том, что первый электролизный блок использован как источник анолита за счет введения в его конструкцию сепаратора хлора и водорода, последний из которых ведет к повышению безопасности работы блока, при этом наличие систем рециркуляции анолита и католита позволяет регулировать их концентрацию, повышающую производительность установки не только по анолиту, но и по феррату при экономии соли и электроэнергии.1илл.

Description

Полезная модель относится к области химического производства, в частности к оборудованию, предназначенному для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, применяемых для обеззараживания питьевой воды и очистки (путем коагуляции) промышленных, сельскохозяйственных и других стоков.

С точки зрения окислительного потенциала различных реагентов, применяемых на практике, наиболее эффективными являются хлор, доксид хлора, озон, перекись водорода, перманганат и феррат (VI). Однако, несмотря на высокий потенциал всех перечисленных реагентов, с позиции экономической рентабельности, разработанности технологии и широты практического применения на первом месте находятся хлорсодержащие реагенты. Вместе с тем, последние 10-15 лет особое внимание исследователей и практиков привлекает феррат натрия (VI), обладающий самым высоким окислительным потенциалом, превосходящим даже озон, бактерицидное действие которого, кстати, весьма непродолжительно.

Аппаратное оформление технологий получения растворов как хлорсодержащих реагентов, так и феррата сводится к использованию электролизных установок. И хлорсодержащие реагенты, и феррат могут быть эффективно получены в процессе мембранного электролиза с применением современных катионообменных мембран. При этом побочным продуктом производства хлорсодержащих реагентов является раствор щелочи, который одновременно является сырьем для производства феррата.

Перспективной тенденцией последнего времени является сочетание производств наиболее эффективных окислителей и их совместное использование, представленное в виде технического решения, выбранного в качестве аналога, которым является установка для получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, предназначенная для обеззараживания (стерилизации) балластных вод [KR 101202765]. Она включает электролизные блоки для получения гипохлорита (электродиализатор) и феррата (электролизер), стерилизатор с гипохлоритом и стерилизатор с ферратом, резервуар хлорида натрия, резервуар для воды, а также систему насосов и трубопроводов для подачи различных реагентов в электродиализатор и в электролизер. Электродиализатор состоит из ванны, анодной пластины, отделенной ионообменной мембраной от катодной пластины, и подающих труб. Электродиализатор вырабатывает гипохлорит (NaClO) и каустическую соду (NaOH). Электролизер для получения феррата состоит из ванны, катодной пластины, железосодержащего анода и подающих труб. Из электродиализатора щелочь по трубопроводу подается в электролизную ванну для электролитического разложения железа для получения феррата. Напряжение на электродах составляет 2-3 V. Блок стерилизации гипохлоритом стерилизует соленую воду. Блок стерилизации ферратом добавляет феррат в первично стерилизованную воду для вторичной стерилизации.

Недостатками аналога являются:

- большие затраты и меньший выход по току при мембранном производстве гипохлорита на месте потребления по сравнению с мембранным электролизом анолита;

- гипохлорит является более слабым окислителем, чем хлор;

- при использовании гипохлорита время обеззараживания больше, чем время обеззараживания хлором;

- большие затраты и меньший выход по току при производстве феррата в неразделенной ячейке, связанные со снижением концентрации феррата в растворе из-за электрохимического восстановления феррат-иона на катоде после преодоления ферратом расстояния от анода до катода, а также из-за химического восстановления феррат-иона молекулярным водородом, образующимся на катоде;

- образование взрывоопасных смесей выделяемых водорода и кислорода при производстве феррата в неразделенной ячейке.

Прототипом технического решения установки для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, состоящей из двух модулей, выбрана установка для получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, предназначенная для обеззараживания питьевой воды и сточных вод, описанная в патенте [RU 160773].

Установка-прототип отличается от аналога тем, что в ферратном электролизном блоке межу катодом и железосодержащим анодом введена ионообменная мембрана, и катодная и анодная камеры ферратного электролизного блока связаны с сепараторами водорода и кислорода соответственно, а также посредством промежуточного бака с катодной камерой электролизера для получения хлорсодержащих реагентов, а анодная камера ферратного электролизного блока связана через промежуточную емкость для накопления феррата натрия с трубопроводом обрабатываемых вод. Введение ионообменной мембраны в ферратном электролизном блоке в установке-прототипе позволило увеличить выход феррата по току и снизить взрывоопасность установки, а введение в него сепараторов кислорода и водорода позволило повысить безопасность ее работы в целом по сравнению с аналогом.

Однако недостатки описанной установки-прототипа связаны с технологией производства гипохлорита:

- гипохлорит является более слабым окислителем, чем анолит;

- при использовании гипохлорита время обеззараживания больше, чем время обеззараживания анолитом.

Таким образом, задачей полезной модели является повышение эффективности работы комплексной установки за счет использования в качестве хлорсодержащего окислительного реагента анолита и сопутствующее этому повышение производительности установки, а также повышение безопасности ее работы.

Поставленная задача достигается за счет того, что в установке для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, включающей подключенные к источнику тока электролизные блоки, первый из которых предназначен для получения хлорсодержащих реагентов, а второй - для получения феррата натрия, при этом оба блока снабжены ионообменными мембранами, разделяющими пространство каждого блока на катодную и анодную камеры, и последние второго блока снабжены сепараторами водорода и кислорода соответственно и связаны с катодной камерой первого блока через промежуточную емкость накопления щелочи, анодная и катодная камеры первого блока снабжены сепараторами хлора и водорода соответственно, при этом каждая из них связана со своим сепаратором дополнительным трубопроводом, обеспечивающим процесс рециркуляции между сепаратором и камерой.

Технический результат полезной модели состоит в том, что первый электролизный блок использован как источник анолита за счет введения в его конструкцию сепаратора хлора и водорода, последний из которых ведет к повышению безопасности работы блока, при этом наличие систем рециркуляции анолита и католита позволяет регулировать их концентрацию, повышающую производительность установки не только по анолиту, но и по феррату при экономии соли и электроэнергии.

На прилагаемом к описанию полезной модели рисунке дано схематическое изображение предлагаемой установки для комплексного получения анолита и феррата натрия.

Установка для комплексного получения анолита и феррата натрия содержит два модуля: М1 и М2.

Модуль М1 для получения хлорсодержащих реагентов в виде анолита состоит из источника постоянного тока 1, емкости 2 для приготовления солевого раствора, электролизного блока 3 (хлорный электролизер), полость которого посредством ионообменной мембраны 4 разделена на анодную (А) и катодную (К) камеры, снабженные двумя электродами - анодом 5 и катодом 6 соответственно. Модуль М1 снабжен устройствами дозирования солевого раствора и воды (7) в анодную (А) и катодную (К) камеры соответственно, емкостями 8 и 2, содержащими воду для подачи в катодную камеру и солевой раствор для подачи в анодную камеру соответственно, а также промежуточным баком 9 для накопления щелочи. Катодная камера сообщена с сепаратором 10 водорода, а анодная камера через сепаратор 11 хлора соединена с трубопроводом ОВ, транспортирующим обрабатываемые воды. Анодная камера (А) снабжена дополнительным трубопроводом 12, связывающим ее с сепаратором хлора 11, а катодная камера снабжена дополнительным трубопроводом 13, связывающим ее с сепаратором 10 водорода

Модуль М2 для получения феррата натрия включает источник постоянного тока 14, электролизный блок 15, анодная и катодная камеры которого связаны с промежуточной емкостью 9 для накопления щелочи и содержат два электрода - анод 16 и катод 17, разделенные ионообменной мембраной 18. При этом анод должен быть железосодержащим и служить источником железа для производства феррата. Катодная камера электролизного блока 15 связана с наружным пространством через сепаратор водорода 20, анодная камера - через сепаратор кислорода 21, а также с емкостью 19 накопления феррата. Следует отметить, что система различного рода датчиков, систем индикации и пультов управления на рисунке не показана.

Ниже описывается работа модулей М1 и М2.

Модуль М1. Холодная вода из городской сети водоснабжения поступает в емкости 2 и 8. В емкость 2 через открытую крышку предварительно засыпается соль до максимальной отметки. Прохождение воды через слой соли на дне емкости дает насыщенный раствор с концентрацией NaCl 300-330 г/л. Из емкости 2 насыщенный солевой раствор подается в анодную камеру хлорного электролизера 3. Холодная вода из емкости 8 поступает в катодную камеру этого электролизера. В последнем при температуре до 90 градусов из анодной камеры ионы Na⁺ через ионообменную мембрану 4 попадают в катодную камеру, где вырабатывается раствор щелочи NaOH с концентрацией 20-35%. В анодной камере хлорного электролизера 3 вырабатывается анолит, содержащий активный хлор и соединения хлора. Для протекания реакции на электроды хлорного электролизера 3 подается от источника 1 ток до 60 А при напряжении до 4 В. Из хлорного электролизера 3 анолит и католит поднимаются в сепараторы 11 и 10 соответственно. В сепараторе 11 происходит всасывание верхнего слоя анолита, содержащего наибольшее количество хлора, в систему транспортировки обрабатываемых вод ОВ для их обеззараживания и/или очистки, а оставшийся солевой раствор из сепаратора 11 по дополнительному трубопроводу 12 опускается вниз, остывает, смешивается с вновь подаваемым соляным раствором и поступает в анодную камеру, вытесняя горячий и обогащенный хлором анолит в сепаратор 11.

Система рециркуляции анолита и сепарации хлора позволяет отделять верхний слой анолита, содержащий максимальную концентрацию хлора и направлять оставшийся солевой раствор обратно в анодную камеру, что повышает производительность и обеспечивает ресурсосбережение.

В сепараторе 10 из католита выделяется газообразный водород и удаляется в наружное пространство, то есть за пределы здания, а щелочь по дополнительному трубопроводу 13 опускается из сепаратора 10 вниз, остывает, смешивается с вновь подаваемой водой и поступает в катодную камеру, вытесняя горячую и более концентрированную щелочь в сепаратор.

Система рециркуляции католита позволяет регулировать концентрацию получаемой в катодной камере щелочи от 20 до 35% за счет выбора режима дозирования воды для обеспечения заданной производительности по феррату.

Католит из катодной камеры, состоящий из раствора щелочи с концентрацией 20-35%, через сепаратор водорода 10 подается в промежуточный бак 9, а оттуда в модуль М2 для производства феррата.

Модуль М2. Из промежуточного бака 9 щелочной раствор NaOH с концентрацией 20-35% подается в нижнюю часть катодной (К) и анодной (А) камер электролизера 15. В электролизере 15 при температуре 30-55 градусов из анодной камеры ионы Na⁺ через ионообменную мембрану попадают в катодную камеру, где незначительно повышается концентрация щелочи. В анодной камере под действием электрического тока происходит разрушение железосодержащего анода 16 и образование феррата натрия (Na₂FeO₄). Для протекания реакции на электроды электролизера 15 подается постоянный ток величиной до 40-60 А при напряжении до 2,5-6 В. Из верхних частей катодной и анодной камер обеспечивается выведение газообразных продуктов, собирающихся в верхних частях обеих камер. Из электролизера газообразный водород через сепаратор 20 и газообразный кислород через сепаратор 21 выводятся в наружное пространство, окружающее здание. Произведенный раствор феррата натрия из сепаратора 21 кислорода попадает в емкость 19 и оттуда в систему транспортировки обрабатываемых вод ОВ.

Система различного рода датчиков, систем индикации и пульт управления на рисунке не показаны.

Claims

Установка для комплексного получения хлорсодержащих реагентов и феррата натрия, включающая подключенные к источнику тока электролизные блоки, первый из которых предназначен для получения хлорсодержащих реагентов, а второй - для получения феррата натрия, при этом оба блока снабжены ионообменными мембранами, разделяющими пространство каждого блока на катодную и анодную камеры, и последние второго блока снабжены сепараторами водорода и кислорода соответственно и связаны с катодной камерой первого блока через промежуточную емкость накопления щелочи, отличающаяся тем, что анодная и катодная камеры первого блока снабжены сепараторами хлора и водорода соответственно, при этом каждая из них связана со своим сепаратором дополнительным трубопроводом, обеспечивающим процесс рециркуляции между сепаратором и камерой.