Патент РФ № 2176989. Заявлен 01.11.2000, опубликован 20.12.2001.
Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Паничева С.А.
Главной частью установки АКВАХЛОР, предназначенной для получения смеси оксидантов
из раствора хлорида натрия, является электрохимический реактор.
В данном патенте впервые в патентной литературе описан реактор установки
АКВАХЛОР, состоящий из ранее неизвестных проточных электрохимических модульных
элементов ПЭМ-7, каждый из которых представляет собой миниатюрный диафрагменный
электролизер с коаксиально установленными электродами и диафрагмой. Внешний
электрод элемента ПЭМ-7 является катодом и изготовлен из титановой трубы диаметром
40 мм и длиной 35 см. Внутренний электрод (анод) изготовлен из титановой трубы
диаметром 16 мм и длиной 29 см. На поверхность анода нанесено покрытие из оксидов
рутения и иридия. Покрытие анода в сравнении с известными электродами ОРТА при
прочих равных условиях работы имеет ресурс работы в 800 – 1500 раз больший.
Аноды в реакторах установки АКВАХЛОР эксплуатируются при весьма благоприятных
для оксидных покрытий условиях: рН среды в анодной камере всегда меньше 2,5.
Опыт непрерывной, в течение пяти лет, эксплуатации анодов в установке АКВАХЛОР
показал полное отсутствие признаков износа покрытия. Керамическая диафрагма
в элементе ПЭМ-7 изготовлена из смеси оксидов циркония, алюминия и иттрия, обладает
исключительной стойкостью к действию кислот, щелочей, окислителей, восстановителей,
выдерживает давление на разрыв до 5 атм., имеет неограниченный ресурс работы.
Очистка диафрагм в процессе работы установки АКВАХЛОР не требуется, если для
питания установок используется умягченный солевой раствор. При использовании
солевого раствора с солями жесткости необходима периодическая очистка диафрагмы
3%-ным раствором соляной кислоты. Очистка производится путем промывки реактора
установки АКВАХЛОР без какой-либо его разборки в течение 15 минут.
В отличие от всех известных процессов производства хлора из раствора хлорида
натрия (диафрагменный электролиз, электролиз с ионообменной мембраной, электролиз
с ртутным катодом), в элементе ПЭМ-7 установок АКВАХЛОР процесс разложения раствора
хлорида натрия на конечные продукты – газообразную смесь оксидантов, раствор
гидроксида натрия концентрацией 150 – 170 г/л (в зависимости от концентрации
исходного солевого раствора) и водород происходит за один цикл, т.е. без какого-либо
возврата анодных или катодных продуктов на повторную обработку в реактор и без
добавления воды в катодную камеру. Иными словами, в элементах ПЭМ-7 реализована
технология разложения, заключающаяся в том, что весь поступающий в анодную камеру
раствор соли концентрацией 200 – 250 г/л полностью, за один цикл, разлагается
на влажный газ (хлор, диоксид хлора, озон), а в катодной камере без какой-либо
дополнительной добавки воды также за один цикл образуется раствор гидроксида
натрия концентрацией 150 – 170 г/л (приблизительно, в объеме поступающего солевого
раствора) и газообразный влажный водород.
Главная технологическая особенность установки АКВАХЛОР состоит в том, что
синтез оксидантов в анодной камере реактора протекает под давлением, значительно
превышающем давление в катодной камере (перепад около 1 кгс/см2).
Суперпозиция и взаимовлияние градиентов давления, напряженности электрического
поля, концентрации электролитов и плотности тока в поровом пространстве относительно
толстостенной керамической диафрагмы обеспечивают селективное удаление ионов
натрия вместе с избытком воды из анодной камеры через диафрагму в катодную камеру,
сохранение всех ионов хлора в анодной камере и полное отсутствие возможности
проникновения гидроксил-анионов из катодной камеры в анодную.
Установка АКВАХЛОР может быть легко адаптирована к источнику постоянного
тока необходимой мощности с практически любыми выходными параметрами по току
и напряжению, поскольку конструкцией реактора обеспечена возможность изменения
электрической схемы подключения элементов ПЭМ-7. При последовательном соединении
элементов ПЭМ-7 реактор установки превращается в биполярный электролизер оригинальной
конструкции, так как составляющие его электрохимические ячейки (элементы ПЭМ-7)
пространственно и гальванически отделены друг от друга. При параллельном соединении
элементов ПЭМ-7 реактор становится разновидностью монополярного электролизера.
Также возможно смешанное (последовательно-параллельное) соединение элементов
ПЭМ-7 в реакторе установки АКВАХЛОР.
Напряжение на единичном элементе ПЭМ-7 в процессе работы может быть в пределах
от 2,8 до 4,0 вольт при силе тока от 20 до 30 ампер и минерализации исходного
солевого раствора от 200 до 250 — 300 г/л. Степень разложения соли при всех
режимах работы составляет 99,3 – 99,8%. В связи с этим, реальный удельный расход
соли на производство оксидантов в установке АКВАХЛОР приблизительно равен 1,7
грамм на 1 грамм оксидантов.
При силе тока 23 – 24 ампера элемент ПЭМ-7 вырабатывает 30 г/ч оксидантов
(в пересчете на молекулярный хлор), напряжение на нем близко к 2,8 – 2,9 В,
а удельный расход электроэнергии — около 2 кВт на 1 кг оксидантов (хлора). В
этом режиме доля молекулярного хлора в выделяющемся газе составляет 98 — 99%.
Для того, чтобы увеличить долю диоксида хлора и озона в смеси синтезируемых
оксидантов до 3 – 7%, установки АКВАХЛОР эксплуатируют в более форсированном
режиме, т.е. при силе тока более 25 ампер на единичном элементе ПЭМ-7 и напряжении
более 3 вольт. Удельный расход энергии, соответственно, составляет 2,5 — 3,0
и может достигать 3,5 кВт-ч/кг при соответственно возрастающей производительности
единичного элемента ПЭМ-3 до 40 и более граммов оксидантов в час. Однако, удельное
потребление соли остается прежним – около 1,7 г/г во всех режимах. Другим путем
увеличения содержания диоксида хлора и озона в составе смеси оксидантов является
подщелачивание исходного солевого раствора до рН = 9,5 – 10,5.
Трехлетний опыт эксплуатации установок АКВАХЛОР в различных условиях (климатических,
технических, технологических) в России и за рубежом показал их высокую эффективность,
экономичность, практически полное отсутствие побочных продуктов хлорирования
даже при обработке раствором оксидантов сточных вод с высоким содержанием органических
соединений.