Производство гипохлорита натрия

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОИЗВОДСТВО ГИПОХЛОРИТА НАТРИЯ

Общие сведения

Гипохлориты -- соли хлорноватистой кислоты. Хлорноватистая кислота получается при взаимодействии хлора с водой, реакцию которую впервые подробно изучил известный русский химик А. А. Яковкин:

Cl₂+H₂OHClO+HCl,

но в большей степени образование СlO^- происходит при взаимодействии ионов хлора с ОН^- сильных щелочей.

Гипохлорит натрия используется в качестве дезинфицирующих и отбеливающих средств. Однако для целей отбеливания он почти вытеснен хлоритом натрия, диоксидом хлора и пероксидом водорода.

Гипохлорит натрия может быть получен химическим или электрохимическим путем. Химический метод основан на взаимодействии хлора с растворами гидроксида натрия по уравнению

С1₂+2Na⁺ + 2OН^- 2Na⁺+Cl^-+СlO^-+Н₂0

Электрохимический метод, основанный на электролизе хлорида натрия, был разработан русскими учеными А.П. Лидовым и В. Тихомировым (1882) и С.Н. Степановым (1890), который предложил оригинальную конструкцию электролизеров. Химический метод как более экономичный вытеснил электрохимический метод. В последнее время в связи с необходимостью получения и использования гипохлорита на месте потребления возник интерес к электрохимическому методу, который позволяет организовать необходимые установки в зависимости от масштабов потребления.

Гипохлорит начали применять для очистки коммунальных сточных вод, целей дезинфекции, например на пивоваренных заводах, в прачечных, очистки сточных вод от органических примесей и т. д. Гипохлорит натрия с успехом используют для обработки охлаждающей воды на электростанциях или на борту океанских кораблей, применяющих морскую воду, так как он препятствует росту морских организмов и обрастанию труб и холодильников.

Теоретические основы процесса и примеры его осуществления

При электролизе раствора хлорида натрия образующиеся на аноде хлор, а на катоде гидроксид натрия взаимодействуют друг с другом с образованием гипохлорита натрия. Вначале образующийся на аноде хлор, взаимодействуя с водой, будет давать за счет гидролиза слабо диссоциированную хлорноватистую кислоту, а образующийся у катода гидроксид натрия, диффундируя навстречу, будет нейтрализовать НСЮ с образованием хорошо диссоциирующего гипохлорита:

НСlO+ОН^- СlO^-+Н₂0

Нейтрализация НСlO будет сдвигать равновесие в правую сторону Cl₂+OH^- HCIO+Cl^-

что будет способствовать растворению новых количеств хлора. Если к получающейся хлорноватистой кислоте будет поступать от катода необходимое количество гидроксида натрия для полной ее нейтрализации, то это приведет к полному прекращению выделения газообразного хлора на аноде.

Следовательно, процесс образования гипохлорита натрия является процессом взаимодействия в объеме электролита гидроксида натрия и хлорноватистой кислоты, и весь процесс электролиза может быть выражен следующим суммарным уравнением:

С1₂+2OН^- СlO^- +С1^- + Н₂O

На выход гипохлорита влияют побочные реакции, которые происходят как в объеме электролита, так и на электродах. Если ионы СlO^- попадут к аноду, то, в первую очередь, на нем будет происходить разряд этих ионов с образованием хлората

6С1O^-+ЗН₂O - 6е^- 2ClO₃^-+4С1^-+3/2O₂+6Н⁺

а не хлора. Это будет происходить потому, что ионы СO^- разряжаются при меньших потенциалах анода, чем ионы С1^-. Это приводит к тому, что гипохлорит накапливается в растворе только до определенной равновесной концентрации, зависящей от условий электролиза, после чего начнется образование только хлората.

Если же ионы СlO^- будут попадать к катоду, то будет происходить восстановление их:

СlO^- + Н₂O + 2e^- С1^- + 2OН^-

Эти побочные реакции на аноде и катоде приводят к уменьшению выхода по току гипохлорита. Побочные реакции в объеме электролита протекают по следующим причинам.

В щелочной среде образование гипохлорита происходит в непосредственной близости от анода, что приводит к увеличению концентрации ионов СlO^- возле анода и облегчению их разряда. Присутствие свободного гидроксида способствует также разряду ионов ОН^-.

В кислой среде из-за взаимодействия гипохлорита натрия с соляной кислотой по реакции

NaCIO + НС1 НСlO+NaCl

образуется хлорноватистая кислота во всем объеме электролита. Хлорноватистая кислота окисляет гипохлорит в хлорат:

NaCIO+2НС1O NaClO₃+2НС1

В нейтральном растворе, так как свободная хлорноватистая кислота присутствует лишь в незначительных количествах только вблизи анода, этот процесс протекает очень медленно.

Влияние температуры. Повышение температуры ускоряет процесс окисления гипохлорита, а также за счет уменьшения перенапряжения выделения кислорода способствует побочной электрохимической реакции -- выделению кислорода на аноде.

Состав электролита. На выход гипохлорита влияние оказывает состав электролита. Повышение концентрации хлорида натрия в электролите способствует снижению потенциала выделения хлора, что позволяет получать более высокие концентрации гипохлорита при высоком выходе по току, однако это приводит к увеличению расхода хлорида натрия на единицу продукта.

Материал анода и анодная плотность тока

Большое влияние на процесс электролитического получения гипохлорита оказывают материал анода и анодная плотность тока. Необходимо применять аноды, на которых перенапряжение для выделения хлора было бы наименьшим, этому условию отвечает платинированная платина. Вследствие плохой стойкости таких анодов, высокой стоимости и дефицитности платины она не используется в промышленности.

Были использованы графитовые аноды как наиболее дешевые, хотя перенапряжение кислорода на них ниже, а для хлора выше. Имеется ряд предложений об использовании в качестве анодов магнетита, диоксида свинца или титана, покрытого платиной или активным слоем из оксидов металлов платиновой группы, Повышение анодной плотности тока увеличивает выход гипохлорита вследствие повышения перенапряжения выделения кислорода и уменьшения процесса разряда ионов ClO^- на аноде.

Материал катода. На процесс электросинтеза гипохлорита натрия влияют материал катода и условия, уменьшающие катодное восстановление. Для уменьшения катодного восстановления в раствор вводятся добавки хлорида кальция или дихромата натрия или калия, которые образуют на катоде защитные пленки, играющие роль диафрагмы, не допускающей соприкосновения гипохлорита с катодом. Действие добавки СаС1₂ сказывается лишь в щелочной среде, так как в кислой гидроксид кальция растворяется, а добавки хромовых солей загрязняют продукт. Для устранения этого предложено использовать катоды из нержавеющей стали с повышенным содержанием хрома или с покрытиями хромом.

Особый интерес представляет предложенный Б. М. Вревским и Б. Д. Юркевичем катод, покрытый катионитом марки КУ-2 в Na-форме, который снижает потери гипохлорита.

Основными условиями получения гипохлорита натрия с наилучшими показателями являются электролиз нейтрального концентрированного раствора хлорида натрия, низкая температура, отсутствие перемешивания электролита, высокая электродная плотность тока.

На рис. 44 представлены данные расхода электроэнергии и хлорида натрия от концентрации гипохлорита натрия и NaCl в применяемом рассоле (исходная концентрация NaCl в рассоле около 15%).

Хотя химический метод получения гипохлорита оказывается более выгодным, чем электрохимический, однако в отдельных случаях при очистке сточных вод, для обеззараживания различных объектов и предотвращения обрастания их водорослями и других целей представляет интерес организация установок, предусматривающих получение гипохлорита на месте его использования из растворов, содержащих хлориды.

Рис. 44. Зависимость выхода по току и удельных расходов электроэнергии и NaCl от концентрации гипохлорита натрия:

1 -- выход по току; 2 -- удельный расход NaCl; 3 -- удельный расход электроэнергии

Рис. 45. Технологическая схема очистки сточных вод производства красителей: 1 -- бак; 2, 9 -- насосы; 3 -- электролизер; 4 -- перегородка; 5 -- электроды; 6 -- переливная труба; 7 -- сборник; 8 -- змеевик.

гипохлорид кислота электролиз анод

В качестве примера на рис. 45 приведена технологическая схема электрохимического метода очистки сточных вод при помощи гипохлорита натрия. Раствор, содержащий хлориды и подвергающийся очистке, из бака подается в электролизер с биполярными графитовыми электродами, устроенный таким образом, что в нем обеспечивается циркуляция электролита между электродами. Очищенный раствор подается в приемный бак, снабженный змеевиком, который поддерживает необходимую температуру в системе. Если очистка раствора осуществлена не полностью, раствор может быть возвращен обратно в электролизер. Напряжение на электролизере 100 В, сила тока 60--70 А.

Аппаратура, используемая в производстве гипохлорита натрия

Основным специфическим аппаратом служит электролизер. Приведем описание ряда конструкций электролизеров. Особенностью большинства конструкций является осуществление процесса электролиза при большом непрерывном протоке раствора через электролизер для устранения забивки небольшого межэлектродного пространства осадками, которые могут получаться при электролизе, особенно при электролизе морской воды, когда на катоде в щелочной зоне могут образовываться осадки Mg(OH)2.

На рис. 46 показан электролизер для получения гипохлорита.

Рис. 46. Электролизер для получения гипохлорита:

1 -- корпус; 5--анод; 3, 5--перфорированные трубы; 4 -- бак; * -- труба для подачи рассола; 7 -- сборный коллектор; 8 -- труба для отвода раствора гипохлорита

Рис. 47. Схема биполярного электролизера для получения гипохлорита.

Рис. 48. Электролизер для получения гипохлорита

который может быть использован как для электролиза морской воды, так и для электролиза концентрированных растворов хлорида натрия, приготовляемых в баке электролизера. Катодом служит цилиндрический корпус электролизера, а анодом -- полый графитовый цилиндр. Стрелками показан ход раствора. При электролизе морской воды она подается непосредственно в анод.

На рис. 47 приведена схема биполярного электролизера с использованием платино-титановых электродов. Особенностью конструкции является использование выделяющихся при электролизе газов для вывода из электролизера раствора гипохлорита.

Определенный интерес представляет конструкция электролизера, которая позволяет распылять получающийся в нем гипохлорит, показанная на рис. 48. Рассол хлорида натрия или морская вода специальным насосом под давлением подается по трубе 1. В длинной трубе 3 осуществляется процесс электролиза, и через узкое отверстие наконечника 4 на этой трубе происходит разбрызгивание гипохлорита. В трубе 3 помещаются электроды 2 и 5, подвод постоянного тока к которым осуществляется через контакты 6 и 7.

Размещено на Allbest.ru