Проточна електрохімічна комірка для отримання розчину натрію гіпохлориту

Реферат: Проточна електрохімічна комірка для отримання розчину натрію гіпохлориту містить розташовані коаксіально циліндричні внутрішній і зовнішній електроди, причому центральний електрод виготовлений із титанової труби, електроди змонтовані у верхній і нижній уніфікованих головках, що містять по одному каналу, забезпеченому штуцерами для підведення і відведення робочого розчину, для кріплення електродів з кожного боку використовується тільки два елементи (головка, втулка) і одне кільце ущільнювача, центральний електрод виконаний плаваючим і не має строго фіксованої довжини. UA 107435 U (54) ПРОТОЧНА ЕЛЕКТРОХІМІЧНА КОМІРКА ДЛЯ ОТРИМАННЯ РОЗЧИНУ НАТРІЮ ГІПОХЛОРИТУ UA 107435 U UA 107435 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технології тонкого неорганічного синтезу і може бути використаною для отримання водних розчинів натрію гіпохлориту високої чистоти для медицини та ветеринарії. У прикладній електрохімії для електролізу водних розчинів застосовуються проточні електролізери з плоскими електродами або електролізери з циліндричними електродами, що розташовані коаксіально, електролізери з діафрагмою і без неї. Перевагою електролізерів з плоскими електродами є компактність і часто більш низька вартість у порівнянні з циліндричними. Однією з переваг коаксіальної конструкції комірки є рівномірний розподіл потоку електроліту по поверхні електродів і однакову швидкість течії в будь-якому перерізі електродної камери. В циліндричних вертикальних електродних комірках відсутні умови для утворення застійних зон і зон повільного потоку. Корпусом коаксіального електролізера є зовнішній циліндричний електрод, додаткові деталі розташовуються на торцях комірки і служать для кріплення центрального електрода, підведення і відведення електроліту. Перспективними є електролізери модульного типу, в яких необхідна продуктивність здійснюється шляхом послідовного або паралельного включення необхідної кількості електрохімічних комірок коаксіального типу, що дозволяє підвищити ефективність, уніфікувати деталі та вузли, знизити витрати на виробництво та обслуговування подібних пристроїв, скоротити час монтажу і демонтажу таких електролізерів, а також полегшити їх технічне обслуговування. В даний час відомо невелике число конструктивних рішень проточних комірок коаксіального типу, які можуть бути використані для синтезу натрію гіпохлориту шляхом електролізу водних розчинів хлориду натрію. Відоме рішення описує проточний модульний елемент - електрохімічну комірку для обробки рідких середовищ [Пат. 2078737 РФ. МПК C02F 1/461. Устройство для электрохимической обработки воды / Бахир В. Μ. и Задорожний Ю. Г. Патентообладатели - Бахир В. М. и Задорожний Ю. Г. - № 94019403/25, заявл. 26.05.1994; опубл. 10.05.97.], зокрема води та водних розчинів, виконане з вертикальних циліндричних коаксіальних внутрішнього електрода, зовнішнього електрода і діафрагми з кераміки на основі оксиду цирконію з добавками оксидів алюмінію і ітрію, що розділяє міжелектродний простір на електродні камери. Електроди виконані з нерозчинного при електролізі матеріалу. Електроди і діафрагма встановлені в нижній і верхній діелектричних втулках, з'єднаних з колекторними головками. У втулках і голівках виконані канали, що забезпечують підведення розчину в нижню частину електродних камер і відведення обробленої рідини з верхніх частин камер. До недоліків конструкції можна віднести наявність дорогої діоксидноцирконієвої діафрагми і складність виготовлення аноду. Відомий модуль, призначений для електролізу водних розчинів [Пат. 2400436 РФ. МПК C02F 1/46. Модуль электрохимической активации воды / Конюшков А. Л., Карпунин В. В., Алимов А. Г. - № 2008152615/07, заявл. 29.12.2008; опубл. 27.09.2010, Бюл. № 27], що містить вертикально розташовані стрижневий і циліндричний електроди, між якими розміщена пориста трубчаста діафрагма, що розділяє міжелектродний простір на дві електродні камери, забезпечені патрубками для роздільного підведення і відведення електроліту, які закріплені взаємно нерухомо, герметично і коаксіально за допомогою втулок з діелектричного матеріалу. Трубчаста діафрагма виконана з еластичного матеріалу і закріплена між двох вставок, розташованих між втулками і стрижневим електродом, причому вставки виготовлені з діелектричного матеріалу з поздовжніми отворами, а між однією з вставок і стрижневим електродом встановлена пружина. Недоліком такої конструкції є наявність діафрагми, спірального каркаса, складність виготовлення і збірки електрохімічного модуля. Найбільш близьким за технічною суттю і досягнутому результату є проточний електрохімічний модульний елемент для обробки рідини [Пат. 2145940 РФ. МПК C02F 1/461. Проточный электрохимический модульный элемент "ПЭМ-4" для обработки жидкости / Бахир В. М.; Задорожний Ю. - № 98119639/12, заявл. 29.10.1998; опубл. 27.02.2000.], який має у своєму складі внутрішній стрижневий електрод, зовнішній електрод, діафрагму, що розділяє порожнину на внутрішню і зовнішню камеру, кожна з яких має вхідний і вихідний патрубки, які закріплені на торцевих діелектричних втулках. Збірка конструкції здійснена за допомогою болтів, вкручених в торці внутрішнього електрода. Конструкція передбачає можливість виконання полого центрального електрода для прокачування через нього охолоджуючої рідини або вихідного розчину (прототип). Однак прототип має ряд недоліків. Незважаючи на відносну уніфікацію окремих деталей, основним недоліком залишається відносна складність конструкції, оскільки вузли для підведення/відведення рідини у внутрішню камеру і в зовнішню камеру відрізняються один від 1 UA 107435 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 одного, і в конструкції передбачено наявність додаткових торцевих елементів кріплення. При цьому для забезпечення герметичності конструкції повинна бути точно витримана довжина внутрішнього і зовнішнього електродів, що вимагає проведення точних токарно-зварювальних робіт при їх виготовленні. Наявність керамічної мембрани суттєво ускладнює і здорожує конструкцію, погіршує розподіл струму, призводить до додаткових розігріву електроліту, що сприяє збільшенню швидкості утворення хлоратів. При великій відстані між поверхнею електрода і діафрагмою збільшується омічний опір між електродами, а при малій відстані можливе виникнення капілярних і розклинювальних ефектів, що перешкоджають вільній течії рідини з газовими бульбашками. Наявність мембрани, особливо при електролізі низько концентрованих розчинів з малою електропровідністю, призводить до сильного збільшення питомих енерговитрат на отримання цільового продукту. Діафрагма електрохімічної комірки фіксується і герметизується за допомогою ущільнень, виготовлених з еластичного кислото-лугостійкого матеріалу. Однак більшість еластичних полімерних матеріалів в умовах інтенсивного електролізу концентрованих водних розчинів хлоридів лужних або лужноземельних металів втрачають еластичність під впливом агресивних рідких і газоподібних продуктів електролізу. Герметичність в місцях закріплення діафрагми може порушуватися, що призводить до погіршення показників роботи електрохімічного реактора. При електролізі водних розчинів натрію хлориду, виникає необхідність застосування двох зовнішніх циркуляційних контурів, за допомогою яких здійснюється відділення електролізних газів і підведення розчину електроліту в електродні камери. При цьому виникають труднощі із забезпеченням рівномірного розподілу потоку електроліту в електродні камери електрохімічних модульних комірок, об'єднаних у блок. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення конструкції електрохімічної комірки проточного типу для одержання розчинів натрію гіпохлориту, з метою спрощення конструкції, зменшення собівартості її виготовлення, підвищення енергоефективності синтезу та чистоти розчинів, що одержуються. Поставлена задача вирішується тим, що проточна електрохімічна комірка містить вертикальні циліндричні внутрішній і зовнішній електроди, що розташовуються коаксіально, які змонтовані у верхній і нижній головках, що містять по одному каналу, забезпеченому штуцерами для підведення і відведення робочого розчину. Головки уніфіковані і виготовляються методом лиття під тиском з поліпропілену або поліхлорвінілу. При необхідності, головки виточуються із фторопласту або капрону. Для виготовлення електродів не вимагаються токарні, зварні роботи. В конструкції комірки не задіяна мембрана, що істотно спрощує її виготовлення, знижує собівартість і призводить до зменшення енерговитрат (приклад). Загальний вигляд електрохімічної комірки з розрізом надані на Фіг. 1. Циліндричний зовнішній електрод (катод) 1 виконаний з титанової труби марки ВТ1-0. На зовнішніх його торцях встановлені в натяг верхня 2 і нижня 3 діелектричні колекторні головки, які мають відповідно канали для підведення розчину в міжелектродний простір 4 і відведення рідини із нього 5. Центральний електрод (анод) 6 виготовлений з титанової труби марки ВТ1-0, на зовнішню поверхню якої нанесено піролітичним способом електрокаталітичне покриття. Для зменшення собівартості доцільно покривати електрокаталізатором, який містить метали платинової групи, тільки центральну частину анода на довжину, що перевищує довжину катода на 10-15 мм. Наприклад, при загальній довжині анода 300 мм доцільно покривати тільки 220-225 мм. Анод кріпиться в головках за допомогою втулок із зовнішньою різьбою 7, 8 і кілець ущільнювачів 9, 10, виконаних із інертної силіконової гуми. При закручуванні втулок відбувається витискування кільця ущільнювача, що забезпечує герметизацію анода і додаткову фіксацію верхньої та нижньої колекторних головок на центральному електроді. Така конструкція дозволяє легко замінювати центральний електрод без повного розбирання комірки. Однією з переваг запропонованої конструкції є те, що при виготовленні внутрішнього і зовнішнього електродів не застосовуються будь-які токарські або зварювальні роботи, що істотно спрощує і здешевлює конструкцію комірки. При цьому в конструкції немає необхідності витримувати точне співвідношення довжин електродів. Основні геометричні параметри комірки задаються довжиною зовнішнього електроду. Центральний електрод виконаний плаваючим, його положення, при необхідності, можна змінювати щодо зовнішнього електрода і його довжина може бути довільною, але не меншою за габаритну довжину зовнішнього електрода із зібраними на ньому головками. Центральний електрод повинен виступати хоча б з одного боку на довжину, яка достатня для закріплення струмопідводу. Наприклад, для зовнішнього 2 UA 107435 U 5 10 15 20 електрода, виконаного з труби 161,0 довжиною 200 мм, довжина внутрішнього електроду може бути будь-яка не менш 280 мм, наприклад 290 або 300 мм. Застосування трубчастого аноду дозволяє при необхідності організувати додаткове охолодження поверхні центрального електроду шляхом прокачування через його внутрішню порожнину вихідного розчину або охолоджуючої рідини. Якщо не ставиться завдання охолодження комірки, то замість циліндричного внутрішнього електрода може бути задіяний стрижневий електрод. Проте виготовлення центрального електрода з труби істотно зменшує його масу і, відповідно, масу комірки в цілому Наприклад, при використанні стрижневого титанового анода діаметром 8 мм і довжиною 300 мм його маса становить 68 г, а аналогічного за розмірами трубчастого (80,5) становить всього 15,6 г. Виготовлення циліндричного титанового внутрішнього електроду доцільно ще і з точки зору того, що труба, на відміну від прута є більш рівна і калібрована по діаметру, що забезпечує максимальну співвісність електродів. Змінюючи геометричні параметри проточної комірки можна конструювати електролізери за модульним принципом необхідної продуктивності. Найбільш оптимальним для електролізерів невеликої продуктивності (до 20 л/год. високочистого розчину 1 г/л натрію гіпохлориту, рН 8,09,0) є застосування проточних комірок з анодом діаметром 8 або 10 мм загальною довжиною 300 мм (робоча довжина 225 мм) і катодом з титанової труби 161,0 довжиною 200 мм. У таблиці 1 наведені деякі можливі варіанти проточних комірок, що можуть бути виготовлені з титанової труби промисловістю сортаменту. Для зручності порівняння геометричних параметрів комірок в таблиці розрахунок зроблений для довжини катода 200 мм і загальної довжини анода 300 мм. Таблиця 1 Геометричні параметрі комірок, виготовлених із труб промислового сортаменту Анод (труба), мм 80,5 101,0 101,0 121,0 141,0 161,0 25 30 35 40 Робоча довжина аноду, мм 225 225 225 225 225 225 Геометрична Геометрична робоча робоча МіжКатод поверхня поверхня електродний (труба), мм аноду (SА), катоду (SК), зазор, мм 2 2 см см 56,5 88,0 3,0 161,0 70,7 88,0 2,0 161,0 70,7 106,8 3,5 191,0 84,8 106,8 2,5 201,5 99.0 138,0 4,0 251,5 113,0 138,0 3,0 251,5 SК/SА 1,56 1,24 1,51 1,26 1,39 1,22 У подальшому заявлена корисна модель пояснюється конкретними прикладами, які достатні для пояснення можливих втілень та переваг даної корисної моделі і які не обмежують всі інші модифікації способу, заявлені в наданій формулі. Приклад Електролізу піддавався розчин 9 г/л хлориду натрію в двох послідовно з'єднаних проточних 2 комірках коаксіального типу з трубчастим катодом (90 см ) з титану марки ВТ1-0 і анодом (60 см), який являє собою титанову трубу (81,0) з композиційним оксидним покриттям на основі SnO2, що додатково містить оксиди металів платинової групи для забезпечення необхідної електрокаталітичної активності і селективності. Дві послідовно з'єднані комірки в своїй конструкції не мали діафрагми, а в дві інші була встановлена дифузійна керамічна діафрагма, застосовувана в прототипі. Для організації циркуляції розчину через катодний простір в зовнішній електрод було вварено два штуцери. Подача вихідного розчину здійснювалася за допомогою перистальтичного насоса з об'ємною швидкістю 9 л/год., сила струму електролізу складала 4 А. В комірки без мембрани вихідний розчин подавався в нижній штуцер комірки 1, а потім з верхнього штуцера комірки 1 в нижній штуцер комірки 2, з верхнього штуцери комірки 2 розчин збирався в накопичувальну ємність (Фіг. 2). У проточні комірки з мембраною вихідний розчин подавався наступним чином: 1) в катодний простір комірки 1; 2) з катодного простору комірки 1 в анодний простір комірки 1; 3) з анодного простору комірки 1 в катодний простір комірки 2; 4) з катодного простору 3 UA 107435 U комірки 2 в анодний простір комірки 2; 5) з анодного простору комірки 2 розчин збирався в накопичувальну ємність (Фіг. 3). Результати порівняльних випробувань наведені в таблиці 2. Таблиця 2 Порівняльні випробування комірок. Тип комірки З діафрагмою Без діафрагми 5 10 15 Струм, А UКом 1, В UКом 2, В UΣ, В NaCIO, мг/л NaClO3, мг/л 4 4 5,5 4,6 6,4 4,7 11,9 9,3 1196 1192 25 11 Енерговитрати на синтез 1 кг NaClO, кВт•г/кг 4,42 3,47 Як випливає із таблиці 2, концентрації натрію гіпохлориту виходять практично однаковими, а ось вміст хлорату при синтезі в комірках без діафрагми є помітно меншим. Через наявність діафрагми напруга на першій комірці вище на 0,9 В, на другий на 1,7 В, а сумарна напруга більша на 2,6 В. При використанні комірок з діафрагмою синтез натрію гіпохлориту є на 30 % більш енерговитратним в порівнянні з синтезом в електролізері без розділеного електродного простору. Таким чином, для синтезу низькоконцентрованих розчинів натрію гіпохлориту застосування мембрани не є доцільним, як з точки зору складності конструкції комірки, збільшення її собівартості, так і з точки зору підвищених енерговитрат. Проточна електрохімічна комірка для синтезу розчину натрію гіпохлориту містить вертикальні циліндричні внутрішній і зовнішній електроди, що розташовані коаксіально, та змонтовані у верхній і нижній уніфікованих голівках, забезпечених штуцерами для підведення і відведення робочого розчину. При виготовленні електродів не застосовуються токарні та зварювальні роботи по титану. Центральний електрод не має фіксованої довжини і може бути легко замінений без повного розбирання комірки. При синтезі натрію гіпохлориту в запропонованій комірці, енерговитрати на 30 % менше, ніж при використанні прототипу. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Проточна електрохімічна комірка для отримання розчину натрію гіпохлориту, що містить розташовані коаксіально циліндричні внутрішній і зовнішній електроди, яка відрізняється тим, що центральний електрод виготовлений із титанової труби, електроди змонтовані у верхній і нижній уніфікованих головках, що містять по одному каналу, забезпеченому штуцерами для підведення і відведення робочого розчину, для кріплення електродів з кожного боку використовується тільки два елементи (головка, втулка) і одне кільце ущільнювача, центральний електрод виконаний плаваючим і не має строго фіксованої довжини. 4 UA 107435 U 5 UA 107435 U 6 UA 107435 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7