Електролізер для виробництва фератів лужних металів

Реферат: Електролізер для виробництва фератів лужних металів включає коаксіально розташовані циліндричні катод і анод, виконаний із залізовмісного матеріалу, сепаратор, розділяючий катодний і анодний простори, та основу. По периметру анода з його зовнішньої сторони виконаний виступ, на якому кріпиться кільце з отворами для з'єднання анода з основою електролізера. В верхній частині електролізера встановлена кришка електролізера, над якою розташована додаткова кришка катодного відділення з вмонтованим в неї катодом. Сепаратор виконаний з жорстким днищем і вмонтований в кришку електролізера. UA 75637 U (12) UA 75637 U UA 75637 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технології електрохімічних виробництв, зокрема до електролізерів для виробництва фератів (фератів(VІ), оксофератів(VІ)) лужних металів шляхом анодного розчинення залізовмісних матеріалів. Відомий електролізер, який містить катод та анод з залізної стружки, яка вбудована у вигляді рівномірної подушки в анодну виїмку, таким чином, щоб вони були розташовані на близькій відстані до пластини, що підводить струм, сепаратор - катіонопроникну мембрану Nafion 350, яку відділено від залізної стружки листом грубої полімерної сітки, що зібраний з чотирьох поліпропіленових блоків, центр двох з них утворює відсік для електроліту [Denvir A., Pletcher D. Electrochemical generation of ferrate. Part I. Dissolution of an iron wool bed anode // J. Appl. Electrochem.-1996. - Vol. 26, № 8. - P. 815-822]. Вони сконструйовані так, щоб були зони входу і виходу, що повільно розширюються, колектори - пластини з нержавіючої сталі, заглиблені в один із зовнішніх блоків з електричним контактом, що проходить крізь блок, а також штуцери для входу (нижній) і виходу (верхній) католіту і аноліту. Поліпропіленові блоки стягнуті болтами, а як ущільнення використовують лист Viton. Католіт та аноліт (розчин натрій гідроксиду однакової концентрації) безперервно подають через нижні штуцери в катодний і анодний простір відповідно і через верхні в резервуари, і назад в електролізер. До недоліків даного пристрою відносяться забруднення електроліту анодним шламом, в якому можуть бути присутні каталізатори розкладання ферат-іонів, а також нестабільність роботи анодів внаслідок зниження міцності і різкої зміни розмірів анода при розчиненні, що призводить до зменшення істинної площі поверхні і, отже, зростання густини струму, що сприяє зниженню виходу продукту. Зниженню продуктивності цього пристрою сприяє і високий вихід сполук Fe(III), що є 2каталізаторами розкладання аніонів FeO4 . Відомий також електролізер, що включає дискові катод та анод з залізовмісного матеріалу, а також сепаратор зі спеченого скла [Denvir A., Pletcher D. Electrochemical generation of ferrate. Part 2. Influence of anode composition // J. Appl. Electrochem.-1996. - Vol. 26, № 8. - P. 823-827]. При експлуатації катодний та анодний простір даного електролізера заповнюють розчином натрій гідроксиду та здійснюють електроліз, перемішуючи аноліт повільним струменем азоту. Недоліки даного пристрою полягають в розподілі струму, яке призводить до зниження механічної міцності анода та його руйнування при тривалому електролізі, що сприяє зростанню істинної густини анодного струму та забрудненню електроліту анодним шламом, в якому можуть міститися каталізатори розкладання ферат-аніону, і, отже, до зниження його виходу за струмом. Відомий електролізер, який включає дві рами з поліметилметакрилатного скла, що утворюють катодне та анодне відділення, які розділені двошаровою полівінілхлоридною діафрагмою, катод і анод з трьох залізних трубок, сполучених з водним термостатом для підтримання температури електроліту 20-70 °C [Bouzek K., Roušar I. The study of electrochemical preparation of ferrate(VI) using alternating current superimposed on the direct current. Frequency dependence of current yields // Electrochim. Acta. 1993. - Vol. 38, № 13. - P. 1717-1720]. Експлуатацію даного електролізера здійснюють наступним чином: катодне і анодне відділення заповнюють концентрованим лужним розчином, а потім виконують електроліз. До недоліків даного пристрою слід віднести неможливість його використання для тривалого синтезу ферату внаслідок нестабільності роботи трубчастих анодів, забруднення електроліту анодним шламом, що містить каталізатори розкладання ферат-аніону, і, отже, до зниження його виходу за струмом. 7 Відомий електролізер [Пат. 2009/0205973 А1 США, МПК С 25 В 1/00, С 25 В 9/06. Methods and apparatus for producing ferrate(VI) [Text] / Monzyk B.F., Rose J.K., Burkle E.C, Clark T.O., Smeltz A.D., Rider D.G., Cucksey С.М. (США). - № 10/597106, заявл. 18.01.05; опубл. 20.08.09. 60 с.], який включає кожух, обмежуючий нероздільну камеру, причому кожух має один вхід і два виходи електроліту, один вихід для електроліту з боку катода та один з боку анода, плоскі катод і анод з залізовмісного матеріалу в камері, причому анод і катод не є газодифузійними електродами, екран (не мембрана), розділяючий анодний і катодний простір, причому електролізер може включати одну або, переважно, "пакет" таких камер, а також пневморегулятор на виході. Електроліт тече через вхід, розділяється екраном та обтікає анод і катод, і витікає через виходи. Аноліт охолоджують і направляють в кристалізатор, а потім за допомогою насоса в твердорідинний сепаратор. В ньому збирається твердий голкоподібний ферат(VІ), або частіше ферат відділяють вручну, фільтруючи порції аноліту і повертаючи фільтрат до проміжного бака кристалізатора. Електроліт рециркулюється назад в електролізер. Недоліки даного електролізера полягають в розподілі струму в пристрої, що при тривалому електролізі сприяє руйнуванню анодів, забрудненню електроліту анодним шламом, в якому можуть міститися каталізатори розкладання ферату, що знижує його вихід за струмом. 1 UA 75637 U 7 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомий електролізер [Пат. 2003/0159942 А1 США, МПК С 25 В 1/00. Electrochemical method for producing ferrate(VI) compounds [Text] / Minevski Z., Maxey J., Nelson C., Taylor D. (США). - № 10/08429, заявл. 27.02.02; опубл. 28.08.03.-19 с.], який включає кожух, катод з дроту або стрижень, анод із сталевої сітки і може включати і не включати сепаратор із спеченого скла, а також два штуцери нижній для подання електроліту і верхній для його виходу. Електроліт надходить через нижній штуцер і виходить через верхній штуцер або в наступний електролізер, або в пристрій для відділення ферату і циркулює назад. До недоліків цього електролізера слід віднести високий вихід за струмом сполук Fe(III), що є каталізаторами розкладання оксоферат(VІ)-іону, а також неминуче, при тривалій експлуатації пристрою, руйнування сітчастого анода, що призводить до зростання густини струму і забруднення електроліту анодним шламом, в якому можуть бути присутніми каталізатори розкладання ферату, що знижує його вихід за струмом. Відомий електролізер [Bouzek K., Rousar I. Influence of anode material on current yields during ferrate(VI) production by anodic iron dissolution. Part I: Current efficiency during anodic dissolution of grey cast iron to ferrate (VI) in concentrated alkali hydroxyde solutions // J. Appl. Electrochem.-1996. Vol. 26, № 9. - P. 919-923], що включає дві рами (з поліметилметакрилату), сепаратор (полівінілхлоридну діафрагму), який розділяє катодне і анодне відділення, залізовмісний катод і анод, що закривають їх із зовнішніх сторін. При експлуатації цього пристрою його катодне і анодне відділення заповнюють концентрованим розчином гідроксиду лужного металу і виконують електроліз. При цьому термостатовану воду направляють до зворотної сторони анода, що дозволяє контролювати температуру електроліту. Недоліки цього пристрою полягають в розподілі струму внаслідок конфігурації електродів, що призводить до нерівномірного розчинення анода і його передчасного руйнування, неконтрольованого зменшення площі і, очевидно, зростання густини анодного струму і зниження виходу за струмом ферату. Відомий електролізер [Bouzek K., Rousar I. Current efficiency during anodic dissolution of iron to ferrate(VI) in concentrated alkali solutions // J. Appl. Electrochem.-1993. - Vol. 23, № 12. - P. 13171322], який включає дві рами з поліметилметакрилату, що утворюють катодне і анодне відділення, розділені сепаратором (діафрагмою з ПВХ), циліндричні анод і катод, які розташовані паралельно з сепаратором. Катод і анод сполучені з водним термостатом, що дозволяє підтримувати температуру в інтервалі 20-70 °C. Катодне і анодне відділення заповнюють електролітом (концентрованим розчином гідроксиду лужного металу) і виконують електроліз. Анод при цьому розчиняється і в анодному відділенні генерується ферат. До недоліків цього електролізера відноситься розподіл струму внаслідок некоаксіального розташування електродів і сепаратора, яке може призводити до нерівномірного розчинення анода, а, отже, до його передчасного руйнування, неконтрольованого зменшення площі і, очевидно, зростання густини анодного струму, і зниження виходу за струмом ферату. У зв'язку з цим потрібні частий контроль стану і регулярна заміна анода, які ускладнені і тривалі, оскільки вимагають обов'язкового зливання електроліту з електролізера і його демонтажу. Відомий електролізер [Руководство по неорганическому синтезу [Текст] / под ред. Брауэра Г. - Т. 5. - М.: Мир, 1985.-360 с.], що включає циліндричний скляний корпус, в який встановлена циліндрична пориста керамічна (або з політетрафторетилену, або іншого полімерного матеріалу) діафрагма, що доходить до дна корпуса і укріплена в пробковому просоченому парафіном кільці, анод - залізовмісну смугу, щільно прилеглу до зовнішньої стінки діафрагми, катод, укріплений усередині діафрагми, виготовлений із сталевої сітки, намотаної на циліндр. Катодне і анодне відділення електролізера заповнюють концентрованим розчином гідроксиду лужного металу і здійснюють електроліз. Недоліки цього пристрою полягають у щільному приляганні анода до зовнішньої стінки діафрагми, яке може призвести до забивання її пір анодним шламом, а також відсутності розділення газоподібного водню і кисню, яке здатне призвести до вибуху при тривалій експлуатації пристрою. Відомий електролізер [Петров Б.А., Ормонт Б.Ф. О высших кислородных соединениях железа. II. Электрохимическое получение высших кислородных соединений железа и их анализ // Ж. общ. химии.-1937. - Т. 7, вып. 11 - С. 1690-1694], що включає циліндричний корпус, циліндричну діафрагму з пористої глини, розташований усередині неї катод із залізної сітки, згорнутої спіраллю, і анод - залізовмісну пластину, яка зігнута циліндрично і щільно прилягає до внутрішніх стінок електролізера. Катод, анод і діафрагма розташовані коаксіально. Електролізер заповнюють електролітом (концентрованим розчином гідроксиду лужного металу), встановлюють в термостат і виконують електроліз. При цьому розчиняється тільки внутрішня поверхня анода. До недоліків даного пристрою відноситься відсутність розділення газоподібного водню і кисню, що при тривалій експлуатації пристрою може призвести до вибуху. 2 UA 75637 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найближчим за технічною сутністю та досягаємим результатом є електролізер для виробництва фератів лужних металів [Ren Yuxi, Chen Zhen, Geng Yamin, Chen Riyao, Zheng Xi. 2Usage of anisomeric square pulse with fluctuating frequency for electrochemical generation of FeO 4 in CS-CMC bipolar membrane electrolysis cell // Chemical Engineering and Processing.-2007. - Vol. 47, № 4. - P. 708-715] (прототип), який включає корпус з основою, циліндричні коаксіально розташовані порожнисті катоди (з графіту і нержавіючої сталі), пористий анод з сірого чавуну та два сепаратори (біполярні мембрани з хітозану і карбоксиметилбатулози), що виконані у формі циліндра, що доходить до дна електролізера, які розділяють катодні та анодні простори. Катодні і анодні відділення електролізера заповнюють електролітом (14 М NaOH) і виконують електроліз. При включенні поляризуючого струму з межі сепаратора видаляються солі: катіони мігрують через катіонообмінну мембрану до катода, а аніони - в протилежному напрямі до анода. Після видалення на початку іонів солей, що містяться, перенесення заряду в мембрані здійснюється тільки протонами і гідроксид-іонами, і починається дисоціація води. Внаслідок рівноваги цієї реакції протони і гідроксид-іони, які видалені з системи, безперервно поповнюються. Генерування ферату відбувається в анодних відділеннях, з аніонообмінного боку мембрани. До недоліків прототипу слід віднести низький вихід за струмом ферату(VІ), обумовлений розташуванням анода всередині електролізера між двома катодами, що може призводити до його нагрівання при тривалому електролізі, а також конструкцією сепараторів, яка може сприяти проникненню ферату в катодний простір і його відновленню. Крім того, цей пристрій неможливо використати для тривалого синтезу ферату внаслідок руйнування пористого анода при розчиненні, що призводить до зменшення його площі поверхні, забруднення електроліту анодним шламом, в якому можуть міститися каталізатори розкладання 2FeO4 і, отже, зниження виходу за струмом ферату. В зв'язку з цим потрібний частий контроль стану анода, що є ускладнений і тривалий, оскільки вимагає обов'язкового зливання електроліту з електролізера і його демонтажу, які ускладнені конструкцією сепараторів. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення електролізера для виробництва фератів лужних металів шляхом зниження міграції ферат-іонів в катодний простір, а також спрощення його складання та демонтажу. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому електролізері для виробництва фератів лужних металів, який включає коаксіально розташовані циліндричні катод і анод, виконаний із залізовмісного матеріалу, сепаратор, розділяючий катодний і анодний простори, та основу, згідно з корисною моделлю по периметру анода з його зовнішньої сторони виконаний виступ, на якому кріпиться кільце з отворами для з'єднання анода з основою електролізера, в верхній частині електролізера встановлена кришка електролізера, над якою розташована додаткова кришка катодного відділення з вмонтованим в неї катодом, при цьому сепаратор виконаний з жорстким днищем і вмонтований в кришку електролізера. Анод розташований з зовнішньої сторони електролізера. Патрубок для відведення кисню вмонтований в кришку електролізера, а патрубок для відведення водню - в кришку катодного відділення. Корисна модель надана на: Фіг. 1 - загальний вид електролізера з розрізом; Фіг. 2 - вид А з Фіг. 1 (виступ на аноді та кільце); Фіг. 3 - вид електролізера збоку та зверху. Електролізер (фіг. 1) включає основу 1, на якій кріпиться товстостінний порожнистий циліндричний анод 2, що замикає анодний простір і власне електролізер із зовнішнього боку. З зовнішнього боку анода по периметру виконаний виступ 3 (фіг. 2), на який встановлюють кільце 4 з отворами. В верхній частині електролізера встановлюють кришку електролізера 5, у яку вмонтовано сепаратор 6, що розділяє катодний та анодний простір, який виконаний в формі циліндра з жорстким днищем 7. Також у верхній частині над кришкою електролізера розташована додаткова кришка катодного відділення 8, в якому кріпиться циліндричний трубчастий катод 9. Знизу катод закритий заглушкою 10. Анод 2, катод 9 та сепаратор 5 розташовані коаксіально. Основа 1, анод 2 і кільце 4 стягнуті різьбовими з'єднаннями 11 (фіг. 3). Кришка електролізера 5, анод 2 і основа 1 стягнуті різьбовими з'єднаннями 12 (фіг. 3). В кришці електролізера встановлено патрубок 13 для відведення кисню, а в кришці катодного відділення - патрубок 14 для відведення водню. Електролізер складають наступним чином. На основі 1 встановлюють анод 2. Далі на виступ 3 з зовнішнього боку анода вставляють кільце 4 з отворами, в які встромляють різьбові з'єднання 11. Різьбові з'єднання 11 стягають анод 2 і основу 1. Анодне відділення заповнюють електролітом - концентрованим розчином гідроксиду лужного металу. В кришці електролізера 5 закріплюють сепаратор 6 і патрубок для відведення кисню 13. Кришку 5 встановлюють зверху на аноді 2. Далі основу 1 і кришку 5 3 UA 75637 U 5 10 15 20 25 стягають різьбовими з'єднаннями 12. Катодне відділення, яке обмежене сепаратором 6 з жорстким днищем 7, заповнюють концентрованим розчином гідроксиду лужного металу. Трубчастий катод 9 закривають знизу заглушкою 10. Вставляють катод 9 і патрубок для відведення водню 14 в кришку катодного відділення 8. Закривають кришкою 8 катодне відділення. Електролізер працює наступним чином. Включають поляризуючий струм (постійний або змінний). Генерування ферату відбувається в анодному відділенні. Анод 2 при цьому розчиняється з внутрішньої сторони. Сепаратор 6 перешкоджає міграції ферат-іонів в катодний простір. Температуру електроліту і анода контролюють, направляючи термостатовану воду до зовнішньої поверхні анода. Можна також підтримувати і температуру катода та католіту, подаючи термостатовану воду безпосередньо в катод, який знизу закритий заглушкою 10. Кисень і водень, що виділяються, відводяться по патрубках 13 і 14 відповідно. Після закінчення електролізу знімаються різьбові з'єднання 12, кришка електролізера 5 піднімається разом з сепаратором 6 і католітом, основа 1 разом з анодом перевертається і розчин, що містить ферат, зливається. Анод 2 оглядається, потім заливається нова порція гідроксиду лужного металу і процес повторюється. Пристрій можна експлуатувати як непроточний, так і проточний електролізер. Зміна форми анода дозволяє скоротити час простою електролізера при періодичній заміні електроліту, а також контролі стану поверхні анода і сепаратора. Зміна форми сепаратора дозволяє скоротити проникнення ферат-іонів в катодний простір і понизити їх втрати внаслідок їх відновлення, що сприяє підвищенню виходу цільового продукту. Використання пристрою, що заявляється, дозволить підвищити ефективність виробництва оксоферату (VІ) внаслідок зниження втрат ферату внаслідок катодного відновлення, а також скорочення часу простою електролізера при періодичному контролі стану поверхні анода і/або сепаратора. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 1. Електролізер для виробництва фератів лужних металів, який включає коаксіально розташовані циліндричні катод і анод, виконаний із залізовмісного матеріалу, сепаратор, розділяючий катодний і анодний простори, та основу, який відрізняється тим, що по периметру анода з його зовнішньої сторони виконаний виступ, на якому кріпиться кільце з отворами для з'єднання анода з основою електролізера, в верхній частині електролізера встановлена кришка електролізера, над якою розташована додаткова кришка катодного відділення з вмонтованим в неї катодом, при цьому сепаратор виконаний з жорстким днищем і вмонтований в кришку електролізера. 2. Електролізер за п. 1, який відрізняється тим, що анод розташований з зовнішньої сторони електролізера. 3. Електролізер за п. 1, який відрізняється тим, що патрубок для відведення кисню вмонтований в кришку електролізера, а патрубок для відведення водню - в кришку катодного відділення. 4 UA 75637 U 5 UA 75637 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6