WO2002085795A1

WO2002085795A1 - Verfahren und vorrichtung zur synthese von oxidantien aus wässrigen natriumchloridlösungen

Info

Publication number: WO2002085795A1
Application number: PCT/DE2002/001470
Authority: WO
Inventors: Wjatscheslav Greorgievitsch Gablenko
Original assignee: Schwager, Erich
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2002-10-31
Also published as: EP1381570A1; DE10291710D2; RU2241683C2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Synthese von Oxidanten aus wässrigen Natriumchloridllösungen. Bei dem Verfahren werden wässrige Natriumchloridlösung in den Anodenraum und Ätznatron in den Kathodenraum geleitet. Die Natriumchloridlösung weist eine Konzentration im Bereich von etwa 1-3 g/l auf. Die Ätznatronlösung hat eine Konzentration von mindestens etwa 100 g/l und wird mit einer Geschwindigkeit, die einen Mindestgehalt an Gasen im Kathodenraum gewährleistet, durch den Zirkulations-Kathodenkreis gepumpt. Die Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens umfasst eine Diaphragmazelle mit einem Eingang in den Anodenraum für die Natriumchloridlösung und einem Ausgang der Oxidantien in den Sammelbehälter, einen Zirkulations-Kathodenkreis, der mit dem Behälter für das Ätznatron mit einer Konzentration von mindestens etwa 100 g/l verbunden ist, und einen zusätzlichen Stutzen mit Ventil zur Zufuhr von reinem Wasser in den Behälter für das Ätznatron. In den Zirkulations-Kathodenkreis ist eine Vorrichtung zur Regulierung der Durchflussgeschwindigkeit der Ätznatronlösung eingeschlossen. Ausserdem kann bei der Vorrichtung zur Reulierung der Zirkulationsgeschwindigkeit des Flusses eine Druckpumpe vorgesehen sein.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Synthese von Oxidantien aus wässrigen

Natriumchloridlösungen

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des elektrochemischen unipolaren Bearbeitens flüssiger Medien, wodurch diesen Medien stabile und metastabile Eigenschaften von desinfizierenden Lösungen, die sich in einem großen Bereich regeln lassen, verliehen werden können. Die Erfindung kann auf den verschiedensten Gebieten zur Verringerung der Umweltbelastung für die Natur genutzt werden.

Stand der Technik

Bekannt ist ein Verfahren zur Gewinnung von Oxidantien aus Natriumchloridlösung, bei dem diese Lösung mit einer Konzentration von 3-5 g/1 einer elektrochemischen Bearbeitung in der Diaphragmazelle unterzogen wird. In einem Anodenraum bildet sich ein Oxidantiengemisch, was im wesentlichen hypochloriger Säure, Chlor, Chlordioxid, Wasserstoffperoxid, Ozon und Sauerstoff umfaßt. Dieses Verfahren wird zum Beispiel in einer Anlage zur Synthese von Oxidantien realisiert, die aus der Diaphragmazelle mit einem Eingang in den Anodenraum und einem Ausgang in den Behälter für den Anolyt besteht; der Ausgang aus dem Kathodenraum ist mit dem Behälter für den Katolyt verbunden, der durch das Zirkulationsrohr mit dem Eingang in den Kathodenraum verbunden ist (vgl. Patent der Russischen Förderation Nr. 2042639, "Vorrichtung zur elektrochemischen Bearbeitung von Wasser", Fig. 3 b und Beschreibung auf S. 16).

Im Kathodenkreis erfolgt die Zirkulation der Chloridlösung, wobei der Kreis ständig mit frischer Natriumchloridlösung aufgefüllt wird. Im Kathodenraum bildet sich bei relativ schwachem Durchfluß der Ausgangslösung eine schwach alkalische Lösung, die auf die eine oder andere Weise wiederverwertet wird.

Nachteile dieser bekannten Anlage sind, wie Experimente gezeigt haben, ein hoher Aufwand an Strom und Salz pro Einheit des erzeugten Oxidans, sowie ein niedriger Anteil der Sauerstoffgruppe der Oxidantien. Den Hauptanteil der Oxidantien in der Lösung (bis zu 95-98 %) machen chlorhaltige Stoffe aus. Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der genannten Mängel. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Oxidantienlösung mit einem pH- Wert unter 12 zu gewinnen, wodurch sich deren Korrosionswirkung wesentlich verringern läßt.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Gewinnung von Oxidantien durch elektrochemische Bearbeitung wäßriger Natriumchloridlösungen in der Diaphragmazelle wird eine wäßrige Natriumchloridlösung mit einer Konzentration von 1-3 g/1 in den Anodenraum der Diaphragmazelle geleitet, und im Kathodenkreis der Diaphragmazelle erfolgt die Zirkulation einer Ätznatronlösung mit einer Konzentration von mindestens 100 g/1, dabei wird der Verbrauch der wäßrigen Komponente der Alkalilösung durch die Zuleitung von reinem Wasser in den Kathodenkreis aufgefüllt.

Die Elektrolyse wird vorzugsweise bei einer Spannung von höchstens 6 Volt durchgeführt.

Bei dem Verfahren laufen folgende elektrochemische Prozesse ab:

1. Aus dem Kathodenraum wandern die Hydroxylgruppen unter der Einwirkung des elektrischen Feldes durch das Diaphragma in den Anodenkreis, und das alkalische Metall, das in der Kathodenzone bleibt, füllt ständig deren Verlust auf, indem es mit dem Wasser reagiert.

2. An der Anode erfolgt eine Entladung der Hydroxylgruppen, die aus dem Kathodenraum kommen, und der Chlorionen. Da das elektrochemische Potential der Sauerstoffreaktionen an der Anode niedriger als das Potential der Bildung von Chlorverbindungen ist, nimmt im Anodenraum die Ozonmenge beträchtlich zu, und die Konzentration von Wasserstoffperoxid, das einen hohen pH- Wert hat, steigt.

Bei einem pH- Wert von über 10,5 entstehen wiederum Bedingungen zur Bildung von Wasserstoffperoxid und zur stabilen Retention von Ozon in der Lösung.

Hierbei beträgt der spezifische Stromverbrauch höchstens 7 W/g Oxidantien umgerechnet auf aktives Chlor. Eine Senkung des Aufwands an Strom wird erreicht durch: a) höhere Leitfähigkeit der Alkalilösung im Kathodenraum im Vergleich zur Natriumchloridlösung im Prototyp b) niedrigere Energetik der Reaktionen zur Bildung von Sauerstoffverbindungen im

Anodenraum im Vergleich zu den chlorhaltigen Oxidantien, die durch den hohen

Anteil an OH-Gruppen provoziert werden, was auch den spezifischen Verbrauch an

Natriumchlorid verringert, der bei dem vorgelegten Verfahren 3 Gramm auf ein Gramm aktives Chlor nicht übersteigt.

Im Ergebnis dieser elektrochemischen Prozesse enthält der gewonnene Anolyt 50 - 70 % chlorhaltige und 30 - 50 % sauerstoffhaltige Oxidantien. Eine solche Lösung besitzt aufgrund des hohen Gehalts an Ozon, dessen Sofortwirkung die von Chlor um das 20-fache übersteigt, hohe Biozideigenschaften und aufgrund des Vorhandensein der Chlorgruppe der Oxidantien eine hinreichend gute Spätwirkung.

Die Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens umfaßt die Diaphragmazelle mit einem Eingang in den Anodenraum für die Natriumchloridlösung und einem Ausgang für die Oxidantienlösung, sowie den Zirkulations-Kathodenkreis, der mit dem Katolytbehälter verbunden ist.

Die oben genannte Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, daß der Zirkulationskreis des Kathodenraums mit einer Ätznatronlösung mit einer Konzentration von mindestens 100 g/1 gefüllt ist, der Katolytbehälter mit einer Quelle reinen Wassers verbunden ist und eine Vorrichtung zur Regulierung der Durchflussgeschwindigkeit der Ätznatronlösung in den Zirkulations-Kathodenkreis eingeschlossen ist.

Außerdem kann die Vorrichtung zur Regulierung der Zirkulationsgeschwindigkeit des Flusses mit einer Druckpumpe versehen werden.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der vorgeschlagenen Vorrichtung.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Vorrichtung zum elektrochemischen Gewinnen von Oxidantien aus wässriger Kochsalzlösung.

Die Anlage umfaßt einen Hahn 1 am Eingangsstutzen, eine Durchfluß-Diaphragmazelle 2 mit Anodenraum 3, einen Kathodenraum 4 und ein Diaphragma 5. Am Eingang in den Kathodenraum 4 befindet sich ein Geschwindigkeitsregler für die Zirkulation einer Alkalilösung 6. Oberhalb des Kathodenraums 4 ist ein Behälter 7 angebracht, der mit einer konzentrierten Alkalimetalllösung gefüllt ist durch ein Rohr 8 mit dem Ausgang aus dem Kathodenraum 4 und durch ein Rohr 9 mit dem Eingang in den Kathodenraum 4 verbunden ist. Der Behälter 7 ist mit einem Stutzen 11 mit Ventil 10 zur Zuspeisung von reinem Wasser in den Kathodenkreis versehen.

Die Anlage erzeugt Oxidantien in Form eines Gemisches von NaCIO, H₂O , O₃, O₂, die in einer mit OH-Gruppen gesättigten wässrigen Lösung enthalten sind.

Die Anlage arbeitet nach folgendem Prinzip: Eine wäßrige Kochsalzlösung mit einer Konzentration von 1 bis 3 g/1 wird durch ein Rohr über den Einlaßhahn 1 in den Anodenraum 3 geleitet. Beim Anlegen von Strom an die Elektroden der Elektrolysezelle findet im Anodenraum der Prozeß der Oxidantienbildung statt.

Bei der Zirkulation der Alkalilauge durch den Kathodenraum 4 kommt es zu einer Entladung der Natriumkationen an der Kathode mit Bildung von metallischem Natrium, das sofort mit dem Wasser reagiert mit Abscheidung von Wasserstoff und Bildung von Hydroxylgruppen, die unablässig deren Abfluss in den Anodenraum auffüllen.

Bei der Arbeit der Anlage verbraucht sich der Vorrat an Alkalimetall in der Alkalilösung nicht, sondern beteiligt sich ständig am Prozeß der Wasserelektrolyse. Die Verluste an Wasser bei der Elektrolyse werden dadurch kompensiert, daß es über das Ventil 10 zugeführt wird.

Die Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens umfaßt die Diaphragmazelle mit Eingang in den Anodenraum 3 für die Natriumchloridlösung und mit Ausgang der Oxidantien in den Sammelbehälter, den Zirkulations-Kathodenkreis, der mit dem Behälter für das Ätznatron mit einer Konzentration von mindestens 100 g/1 verbunden ist, und einen zusätzlichen Stutzen 11 mit Ventil 10 zur Zufuhr von reinem Wasser in den Behälter 7 für das Ätznatron. In den Zirkulations-Kathodenkreis ist eine Vorrichtung 6 zur Regulierung der Durchflußgeschwindigkeit der Ätznatronlösung eingeschlossen.

Außerdem ist die Vorrichtung 6 zur Regulierung der Zirkulationsgeschwindigkeit des Flusses zweckmäßig mit einer Druckpumpe versehen. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche

Verfahren zur elektrochemischen Gewinnung von Oxidantien aus wässriger Kochsalzlösung, mit Zufuhr der wässrigen Natriumchloridlösung in den Anodenraum und Zufuhr der Alkalilauge des monovalenten Metalls in den Kathodenraum, dadurch gekennzeichnet, daß die Natriumchloridlösung eine Konzentration im Bereich von 1-3 g/1 und die Ätznatronlösung eine Konzentration von mindestens 100 g/1 aufweisen, die mit einer Geschwindigkeit, die einen Mindestgehalt an Gasen im Kathodenraum gewährleistet, durch den Zirkulations-Kathodenkreis gepumpt wird.

2. Vorrichtung zur elektrochemischen Gewinnung von Oxidantien aus wässriger Kochsalzlösung mit einer Diaphragmazelle mit einem Eingang in den Anodenraum für die Natriumchloridlösung und einem Ausgang der Oxidantien in den Sammelbehälter, und einem Zirkulationskathodenkreis, der mit dem Katolytbehälter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulationskreis des Kathodenraums mit einer Ätznatronlösung mit einer Konzentration von mindestens 100 g/1 gefüllt ist, daß in dem Zirkulationskreislauf eine Vorrichtung zur Regulierung der Durchflussgeschwindigkeit der Alkalimetalllösung vorgesehen ist und daß der Katolytbehälter mit Ventilstutzen zur Zuführung von reinem Wasser versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Regulierung der Zirkulationsgeschwindigkeit des Flusses eine Druckpumpe umfaßt.