CC BY
4
УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ МЕМБРАННОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЁРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРОКСОДИСЕРНОЙ КИСЛОТЫ
М.В. Абакумов, аспирант
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-6-2-184-189
Аннотация. В статье рассматривается конструкция усовершенствованного фильтр-прессного электролизёра для электрохимического получения пероксодисерной кислоты. Приведены её конструктивные особенности, описание электролизёра, а также его сравнение с аналогом. Проанализировано влияние конструкции электролизёра на эффективность проведения электросинтеза пероксодисерной кислоты: выход по току, среднее напряжение на электролизёре, суммарные энергозатраты на получение единицы продукта.
Ключевые слова: фильтр-прессный электролизёр, пероксодисерная кислота, пероксид водорода, мембранный электролиз, конструкции электролизёров.
Для проведения электролиза возможно применение нескольких различных типов конструкций электролизёров: безмембранной, мембранной двух- или трёхкамерной. Целесообразность применения той или иной конструкции зависит от технологии процесса электролиза. В безмембранном (или бездиафрагменном) электролизёре не происходит разделение анодного и катодного пространств ионообменной мембра-
источник питан ¡и -1 -
а б
Рис. 1. Схемы безмембранного электролизёра (а) и двухкамерного мембранного электролизёра (б)
ной (или диафрагмой) (рис. 1 (а)). Такая конструкция находит применение в электрохимическом синтезе неорганических веществ, к примеру, гипохлоритов [1] и хлоратов, в гальванотехнике - для нанесения гальванических покрытий. Особенностью безмембранного электролиза является смешение растворов католита и анолита засчёт движущих сил диффузии и миграции.
источник питания
■ _
Двухкамерный электролизёр с ионообменной мембраной (рис. 1 (б)) позволяет отделить растворы анолита и католита. В этом случае предотвращается смешение продуктов электролиза. Такой тип электролизёра находит применение в получении пероксодисерной кислоты (№8208) электрохимическим методом, в котором засчёт ионообменной мембраны предотвращается восстановление на катоде образовавшихся на аноде персульфат-анионов (S2082-) [2-5].
К недостаткам метода мембранного электролиза относят неспособность удалять незаряженные компоненты из раствора, такие как микроорганизмы и некоторые органические загрязнители; высокое энергопотребление.
Целью работы является исследование влияния конструкционных особенностей фильтр-прессного электролизёра на электрохимическое получение пероксодисер-ной кислоты: выход по току, напряжение на электролизёре, средние энергозатраты на получение единицы продукта. Провести сравнительную характеристику предлагаемого электролизёра с имеющимся аналогом.
Материалы и методы исследования
Электросинтез пероксодисерной
кислоты проводили в растворе электролита 500 г/л H2S04 (хч), 1 г/л NH4SCN (хч). Условия электролиза: анодная плотность тока ia = 5,0 кА/м2, температура электролита t = 10 скорость циркуляции католита и анолита через камеры электролизёра v = 14 л/ч. Материал анода - платинированный ниобий, материал катода - нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т.
Технологическая схема установки и методика проведения электролиза подробно рассмотрены в работe [5].
Энергозатраты (Ш, Вт) на проведение электролиза рассчитывали по формуле: W = и • I • т, (1)
где и - напряжение на электролизёре, В; I - ток, А; т - время электролиза, ч.
Результаты исследования и их обсуждение
Аналогом для сравнения с усовершенствованной конструкцией
электролизёра служил фильтр-прессный электролизёр, подробно рассмотренный в работе [5], на котором были проведены первоначальные исследования по электросинтезу пероксодисерной кислоты. Средний выход по току пероксодисерной кислоты на такой конструкции составляет примерно 70 %, средее напряжение на электролизёре 11,5 В при анодной плотности тока 5,0 кА/м2. Энергозатраты в пересчёте на 1 т H2S208 составляют примерно 2 600 кВтч.
Однако такая конструкция обладает рядом недостатков. Во-первых, невозможность внутреннего охлаждения электролита непосредственно в приэлектродной зоне, что способствует большему разогреву электролита, увеличению скоростей побочных реакций и тем самым снижению выхода по току пероксодисерной кислоты. Во-вторых, сравнительно большое межэлектродное расстояние, составляющее 71 мм, что приводит к повышенным энергозатратам. В-третьих, невозможность установления различной катодной и анодной плотностей тока, т. к. конструкция не предусматривает различные рабочие площади анода и катода.
Эти недостатки были учтены в усовершенствованной конструкции электролизёра, представленного на рисунках 2 и 3.
Предложенный мембранный фильтр-прессный электролизёр выполнен из поли-винилхлорида. Раствор электролита подаётся через штуцера ввода 8 в камеры ано-лита 6 и католита 7, а выводится через штуцера вывода 9. Между камерами като-лита и анолита располагается ионообменная мембрана МА-41 10. Охлаждение электролита происходит непосредственно в приэлектродной зоне благодаря камерам циркуляции хладагента 2 и 3, расположенных как со стороны анолита, так и со стороны католита. При этом хладагент от охлаждающего устройства (чиллера) подаётся через штуцера ввода 4, а выводится через штуцера вывода 5. В предложенной
конструкции анодом служит платиниро- нём токоподводом. ванный ниобий 11 с предусмотренным в
5 9 5 12 11
Рис. 2. Общий вид фильтр-прессного электролизёра для получения пероксодисерной кислоты: 1 - корпус электролизёра; 2, 3 - камеры циркуляции хладагента; 4 - штуцера ввода хладагента; 5 - штуцера вывода хладагента; 6 - камера анодного пространства (анолит); 7 - камера катодного пространства (католит); 8 - штуцера ввода раствора электролита; 9 -штуцера вывода раствора электролита; 10 - ионообменная мембрана МА-41; 11 - анод; 12 - катод; 13 - кольцевое уплотнение; 14 - болтовое соединение
Рис. 3. Фронтальный вид усовершенствованного фильтр-прессного электролизёра
Анод располагается между анолитом 6 и камерой хладагента 2. Катодом 12 служит нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т с токоподводом. Катод располагается между камерой католита 7 и камерой хладагента 3. Для придания конструкции герметичности, предотвращения протечек электролита в ней применяются полиуретановые кольцевые уплотнения 13, которые располагаются между разъёмными элементами конструкции 1-3, 6 и 7. Для скрепления элементов конструкции применяются болтовые соединения 14, выполненные из нержавеющей стали. Таким образом, в рассматриваемой конструкции с одной стороны электрода циркулирует раствор электролита и происходит электрохимическая реакция, а с другой его стороны циркулирует хладагент.
Наиболее оптимальными условиями эксплуатации конструкции являются: 500 г/л ШБ04 (хч); анодная плотность тока
ia = 5,00 кА/м2; температура электролита t = 8-10 °C; концентрация роданида аммония (хч) c(NH4SCN) = 1 г/л; скорость циркуляции электролита v = 14 л/ч и более.
По сравнению с предыдущим аналогом предлагаемая конструкция позволяет более эффективно охлаждать раствор электролита. Вместо внешнего контура охлаждения в ней применяется внутреннее охлаждение непосредственно в приэлек-тродной зоне. Это позволяет увеличить выход по току пероксодисерной кислоты за счёт уменьшения скорости реакции её гидролиза вследствие понижения температуры раствора.
Основные конструктивные отличия предлагаемой конструкции, а также количественные характеристики эффективности электролиза по получению пероксо-дисерной кислоты H2S2O8 от предыдущего аналога представлены в таблице 1.
Таким образом, предлагаемая конструкция по сравнению с предыдущим аналогом позволяет: увеличить выход по току пероксодисерной кислоты в среднем
на 10% и уменьшить напряжение на электролизёре примерно на 4,0 В, что приводит к увеличению эффективности процесса и снижению общих энергозатрат.
Таблица 1. Сравнение усовершенствованной конструкции электролизёра по сравнению с аналогом
Характеристика Аналог Усовершенствованная конструкция
Материал конструкции полипропилен полипропилен
Тип охлаждения внешнее внутреннее в приэлектродной зоне
Средняя температура анолита при температуре хладагента -7 °С, °С 12 3
Межэлектродное расстояние ^ мм 71 45
Количество камер, шт. 2 4
Объём катодной камеры, см3 55 160
Объём анодной камеры, см3 55 40
Среднее напряжение на ячейке Пя, В 11,5 7,5-8,0
Средний выход по току И28208, % 70 80
Выводы вершенствованной конструкции выход по
Установлены параметры току H2S2O8 составил примерно 75-80%,
электрохимической реакции получения среднее напряжение на ячейке 7,5-8,0 В, H2S2O8 на обеих конструкциях. На первой энергозатраты составили 1 900 кВт в переконструкции (аналог) выход по току счёте на 1 т H2S2O8 при 5,0 кА/м2. Таким H2S2O8 составил около 70%, среднее образом, была показана более высокая эф-напряжение на электролизёре - 11,5 В, фективность усовершенствованной кон-энергозатраты в пересчёте на 1 т H2S2O8 струкции по сравнению с аналогом. составили 2 600 кВт при 5,0 кА/м2. На усо-
Библиографический список
1. Расулова Ш.У., Алиев З.М., Исаев А.Б., Шапиев Б.И., Муташев Р.К. Электрохимический синтез гипохлорита натрия с использованием подземных вод // Известия ДГПУ. - 2008. - № 2. - C. 29-32.
2. Абакумов М.В., Колесников А.В., Исаев М.К., Ньеин Ч.М., Ахметов И.Д. Получение пероксодисерной кислоты электрохимическим методом // Химическая промышленность сегодня. - 2022. - № 4. - C. 36-43. - DOI: 10.53884/27132854_2022_4_36.
3. Strathmann H. Electrodialysis, a mature technology with a multitude of new applications // Desalination. - 2010. - № 264 (3). Pp. 268- 288. DOI:10.1016/j.desal.2010.04.069.
4. Абакумов М.В., Новиков В.Т. Получение пероксида водорода электрохимическим методом через пероксодисерную кислоту // Химическая промышленность сегодня. - 2023. - № 6. - C. 21-28. DOI: 10.25881/BPNMSC.2020.61.32.023.
5. Патент РФ на полезную модель № 222378. Фильтр-прессный электролизёр для получения пероксодисерной кислоты. Абакумов М.В., Бродский В.А., Перфильева А.В., Ньеин Ч.М., Колесников А.В., 2024.
IMPROVED DESIGN OF A MEMBRANE ELECTROLYZER FOR THE PRODUCTION
OF PEROXODISULFURIC ACID
M.V. Abakumov, Postgraduate Student Mendeleev University of Chemical Technology (Russia, Moscow)
Abstract. The article discusses the design of an advancedfilter-press electrolyzer for the electrochemical production of peroxodisulfuric acid. Its design features, description of the electrolyzer, as well as its comparison with an analog are given. The influence of the electrolyzer design on the efficiency of peroxodisulfuric acid electrosynthesis is analyzed: current output, average voltage at the electrolyzer, total energy consumption for obtaining a unit of product.
Keywords: filter press electrolyzer, peroxodisulfuric acid, hydrogen peroxide, membrane electrolysis, electrolyzer designs.
