Диссертация (Комплексное оборудование и технологические процессы промышленного производства анолита и феррата), страница 8

Расстояние междукатионообменной мембраной (8) и катодной пластиной (6) составляет 1,6-2,2 мм, междукатодной (6) и анодной пластиной (7) находится в интервале 4,5-8 мм, расстояние между двумяразнесенными катодными пластинами (6) составляет 45-60 мм, толщина трехмерноговспененного железа 0, 5-1мм, количество слоев вспененного железа от 1 до 6, расстояние междуслоями 3-6 мм. Пластина анода (7) находится на расстоянии 180-230 мм от корпусаэлектролитической ячейки (4).Рисунок 1.3 – Общий вид электрохимической ячейки (а) и вид сверху (б)В качестве электролита, добавленного в электролизер, использовали 15-20 М растворNaOH, катодные пластины подключаются проводами к отрицательному источнику питания,аноды через провода подсоединяются к положительному источнику питания, открываютсмеситель жидкости, которая перемешиваетсямешалкой со скоростью 160- 200 р/мин.Мощность постоянного тока поддерживается такой, чтобы плотность анодного тока составляла35 мА /см2 - 40 мА / см2, напряжение питания составляло 1,5 -2,5 В, температура электролита20-30°С, длительность электролиза 1,5-2,5 часа, чтобы получить раствор феррата сконцентрацией раствора 15 мг/л, выход по току достигал 58%.Недостаток способа – сложная конструкция анодов и необходимость их своевременнойзамены для продолжения процесса получения ферратов, что затрудняет использованиеустройства для непрерывного синтеза ферратов.В патентах [83-85] описывается процесс формирования феррата натрия в мембранномэлектролизере, который может выделяться из анолита в виде твердого вещества с помощьюохлаждения и фильтрации или другими методами механического удаления [84], или32применяться в реакции замещения для получения феррата калия [83] или ферратакальция/натрия [85].

Раствор феррата натрия производился партиями, в электролизере,состоящем из анода, катода, камеры анолита, камеры католита и герметичного мембранногоразделителя, расположенного между двумя электродами и двумя половинами электролизера.Корпус электролизера был изготовлен из политетрафторэтилена и был 19,05 см в высоту, 12,7см в ширину и 10,16 см в глубину. Емкость отсека анолита составляла 550 мл, емкость отсекакатолита составляла 540 мл.

Отсек анолита был снабжен моторным размешивающимустройством. Промежуток между анодом и мембраной составлял около 2,5 см, а между катодоми мембраной около 2 мм. Анод представлял собой прямоугольный цельный кусок мягкойстальной пластины толщиной 0,6 см шириной 5,1 см и высотой 7,0 см, активная лицеваясторона которого имела площадь 35,7 см2. Задняя сторона стальной пластины была покрытаэпоксидным составом, чтобы только лицевая сторона стального анода была активна во времяэлектрохимической реакции.

Катод в электролизере представлял собой часть раскатаннойникелевой сетки толщиной 0,03 см с ромбовидными ячейками размером 0,64х0,32 см игабаритными размерами 5,1х7,0 см. Была применена резиновая гомогенная мембрана фирмыDuPont марки Nafion424 из перфторсульфоновой кислоты толщиной 0,13 мм, ламинированнаятканью из политетрафторэтилена, имевшая активную площадь 5,1х7,0 см или 35,7 см 2. Передиспользованием она была вымочена в 15-процентном растворе NaOH в течение 18 часов.Электролит анолита содержал около 45% NaOH и 0,1% NaCl, оставшееся было водой.Электролит католита был 50%-ным раствором NaOH. В отсек анолита было помещено около430 мл электролита анолита, и около 450 мл электролита католита было помещено в отсеккатолита.

В электролизере в каждом из отсеков анолита и католита был применен 200-ваттныйцилиндрический нагреватель диаметром 0,64 см. После включения нагревателей температураэлектролита поднялась до 55°C, после чего нагреватели были выключены. На электролизербыло подано питание с силой тока 0,17 А, что соответствовало плотности тока 0,048 кА/м 2.Электролизер работал с быстрым перемешиванием анолита в течение 65 мин, пока температураэлектролита не достигла значения 44°C, а напряжение не увеличилось с 2,34 В до 2,79 В.

Массаполученного анолита составляла 603,6 г, титриметрический анализ содержания в анолитеферрата натрия показал, что его масса составила 0,73 г, выход по току составил 92,7%.Выполненный анализ применяемых методов электролиза и существующих устройств дляпоучения ферратов (бездиафрагменный метод, электролиз в реакторе с диафрагмой имембранный электролиз) выявил мембранный электролиз с катионообменной мембранной какнаиболее производительный и экономичный метод для получения ферратов. Он обеспечиваетбольшую единичную мощность установки и позволяет регулировать энергопотребление33процесса электролиза в зависимости от требуемой производительности.

Увеличение выхода потоку и низкое энергопотребление в мембранном методе по сравнению с бездиафрагменнымсвязано с ликвидацией электрохимического восстановления феррат-иона на катоде ихимическоговосстановленияпреимуществомполученияферрат-ионаферратовмолекулярныммембраннымводородом.электролизомЕщеявляетсяоднимизоляциягазообразного водорода, отводимого из катодной камеры, от газообразного кислорода,произведенного в анодной камере, что значительно снижает опасность образованиявзрывоопасных смесей водорода и остаточного кислорода и исключает необходимостьинертной газовой продувки.В отобранных для анализа патентах представлены монополярные и биполярныеконструкции мембранных электролизеров [68-70, 83-85].

Последние являются болееэкономичными, но и более сложными в исполнении из-за необходимости разделения анодных икатодных областей расходуемыми электродами для раздельного газоотведения соответственноводорода и кислорода. Наиболее распространенными являются более простые монополярныеконструкции, состоящие либо из равного количества анодных и катодных камер (минимальноодной катодной и одной анодной камеры), либо из трех (и более) камер, четное количествокоторых (как минимум 2) могут быть как катодными, так и анодными.Преимуществом установки с двумя катодными и одной анодной камерой являетсямаксимальное использование площади анода, находящегося в процессе электролиза междудвумя катодами.

Катодные камеры при этом могут быть меньшего объема, ширина катодных ианодных камер минимально равна удвоенному расстоянию от мембраны до соответствующегоэлектрода.Для увеличения производительности ячеек расстояния между пластинчатыми катодом имембраной составляет не более 1,3 см, между анодом и мембраной – не более 2,5 см,напряжение на электролизере составляет от 2,5 до 4 В, подается постоянный ток от 0,2 до 100А, преимущественно от 10 до 60 А. Площадь анода может составлять от нескольких до 900 см2.Она, как и ток, выбирается из расчета необходимой плотности тока.

Для повышенияпроизводительностимогутиспользоватьсямногослойныеанодысизменяемымпропорционально необходимой производительности количеством пластин, установленных сзазором 3-6 мм для газоотделения на их поверхности.Если катодная камера, находящаяся между двумя анодными камерами, имеет ширинубольшую, чем удвоенное расстояние между катодом и мембраной, то в ней устанавливаютсядва катода, по одному вдоль каждого анода на необходимом минимальном расстоянии отмембраны.34Для поддержания необходимой температуры процесса в камере может находитьсяэлектрическое нагревательное устройство.

Для перемешивания анолита и католита длявыравнивания концентрации соответственно в анодном и катодном пространстве могутиспользоваться электрические мешалки, расположенные в нижней части камер. Ввод дляподачи электролита делается в нижней части анодной камеры. Клапан электролита,предназначенный для отвода произведенного водного раствора феррата, располагается вверхней части анодной камеры.

Аналогично выполняются ввод и вывод для рециркуляциикатолита.Применяемые системы управления управляют электропитанием на постоянном токе,выдающем продолжительно и автоматически изменяемое напряжение постоянного тока междуанодом и катодом для формирования феррата (VI), включением/выключением нагревательногоэлемента, скоростью вращения мешалки, открытием/закрытием клапанов подачи и выводаанолита и католита.1.5. Области рационального применения анолита и ферратовПрименение хлорсодержащих реагентов является на сегодняшний день основнымметодомобеззараживанияприродныхисточныхвод,позволяющимобеспечитьпролонгированное действие дезинфекианта. Наиболее перспективным хлорсодержащимреагентом пролонгированного действия для обеззараживания природных вод является анолит(смесь газообразного хлора, диоксида хлора, синглетного кислорода).