Каталитическое или электрокаталитическое получение диоксида хлора

Изобретение относится к электродному элементу, состоящему из цельного электрода, содержащего два отдельных каталитических компонента, размещенных в единственной отдельно стоящей детали, содержащему: подложку из вентильного металла; первый каталитический компонент, нанесенный на упомянутую подложку, причем упомянутый первый каталитический компонент пригоден для выделения кислорода из водного раствора при анодной поляризации; второй каталитический компонент, пригодный для образования диоксида хлора из раствора хлората в кислой среде; причем упомянутые первый и второй каталитические компоненты электрически изолированы друг от друга. Изобретение относится также к электролитической ячейке, содержащей такой электродный элемент, и способу получения диоксида хлора на каталитическом компоненте электрохимической ячейки, содержащей такой электродный элемент. Использование предлагаемого изобретения позволяет исключить поступление кислоты в процесс извне. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к производству диоксида хлора (ClO₂) и, в частности, к подходящему электродному элементу и к каталитическому способу получения диоксида хлора.

Предпосылки изобретения

Исторически ClO₂ получали в промышленности по реакции в водном растворе между хлоратом металла, таким как хлорат натрия (NaClO₃), и относительно сильной кислотой, такой как серная, фосфорная или соляная кислота.

Обычно в процессах получения ClO₂ используется сырье, содержащее хлорат щелочного металла, обычно NaClO₃, а также галогенидную соль щелочного металла или другие восстановители. Натрийхлоратное сырье для такого способа получения ClO₂ типично получают электролизом солевого раствора хлорида натрия любым хорошо известным способом. Когда в качестве восстановителя используются хлориды, смесь соляного раствора и хлората подают напрямую в один или более реакторов, где сырье контактирует с желаемой кислотой и вступает в реакцию с образованием ClO₂. Из-за необходимой высокой кислотности, например, 5-10н кислоты, в сочетании с потребностью в восстановителе, мелкомасштабное производство ClO₂ из NaClO₃ не практикуется. Примеры способов получения ClO₂ путем электрохимического или каталитического восстановления хлората натрия в сильной кислоте приводятся, например, в патентах US4501824, US426263, US4381290 и US4362707. Эти известные из уровня техники сведения позволяют обойтись без необходимости в отдельном восстановителе, но все еще требуют химического поступления кислоты в процесс.

Сущность изобретения

Различные аспекты изобретения изложены в приложенной формуле изобретения.

По одному аспекту изобретение относится к электродному элементу, содержащему подложку из вентильного металла; первый каталитический компонент, нанесенный на упомянутую подложку, причем упомянутый первый каталитический компонент пригоден для выделения кислорода из водного раствора при анодной поляризации; второй каталитический компонент, пригодный для образования диоксида хлора из раствора хлората в кислой среде; причем упомянутые первый и второй каталитические компоненты электрически изолированы друг от друга.

Благодаря упомянутой выше конструкции, анодное выделение кислорода с последующим образованием протонов вызывает снижение локального pH раствора у поверхности второго каталитического компонента. Другими словами, электрохимическая анодная реакция дает концентрацию кислоты, подходящую для осуществления каталитического восстановления хлората до диоксида хлора без необходимости какого-либо добавления кислоты извне. Следовательно, электродный элемент по изобретению подходит для получения диоксида хлора, исходя только из воды и раствора хлората, таким образом позволяя исключить обращение с сильными неорганическими кислотами, такими как серная кислота.

При этом под электродным элементом здесь понимается цельный электрод, содержащий два отдельных каталитических компонента, расположенных в единственной отдельно стоящей детали, причем эти два каталитических компонента либо разнесены друг от друга посредством подходящей изолирующей прокладки, либо находятся в плотном контакте, но электрически изолированы друг от друга.

В одном варианте осуществления второй каталитический компонент электродного элемента нанесен на керамический носитель. Керамический носитель может, например, быть в виде дискретной керамической среды, такой как седловидные насадки для дистилляционных колонн.

В другом варианте осуществления второй каталитический компонент электродного элемента нанесен на металлический носитель.

Этот второй каталитический компонент может быть необязательно поляризован до более низкого потенциала, чтобы усилить образование диоксида хлора.

В одном варианте осуществления второй каталитический компонент электродного элемента соединен с источником питания.

В одном варианте осуществления первый каталитический компонент электродного элемента содержит оксиды благородных металлов.

В одном варианте осуществления в электродном элементе по изобретению второй каталитический компонент является смесью оксидов благородных металлов, выбранных из группы, состоящей из оксида рутения, оксида иридия, оксида палладия, оксида родия и оксида платины. Необязательно, второй каталитический компонент содержит также оксид вентильного металла.

В одном варианте осуществления второй каталитический компонент электродного элемента выполнен в виде керамических или металлических листа или сетки или пористого материала.

По другому аспекту изобретение относится к электролитической ячейке, содержащей по меньшей мере один описанный выше электродный элемент.

В одном варианте осуществления электролитическая ячейка оборудована электродными элементами, расположенными как массив нанесенных на подложки первых каталитических компонентов и вторых каталитических компонентов, вставленных друг в друга (переслоенных), причем первые и вторые каталитические компоненты взаимно изолированы.

По еще одному аспекту изобретение относится к способу получения диоксида хлора на каталитическом компоненте, включающему этапы:

- обеспечение электрохимической ячейки, содержащей по меньшей мере один катод и по меньшей мере один электродный элемент по п. 1 формулы в качестве анода;

- подача в упомянутую ячейку водного сырья, содержащего раствор хлората;

- подвергание электролизу упомянутого сырья пропусканием электрического тока между катодом и анодом с образованием тем самым кислорода и кислотности на поверхности упомянутого первого каталитического компонента и поступлением кислотности в окрестности поверхности упомянутого второго каталитического слоя;

- отделение и извлечение диоксида хлора, образованного на каталитическом слое.

Предпочтительно, раствор подвергают электролизу при температуре от 40°C до 90°C.

Следующие примеры приводятся, чтобы продемонстрировать конкретные варианты осуществления изобретения, практическая осуществимость которых в заявленном диапазоне значений была в целом подтверждена. Специалисты в данной области должны понимать, что составы и методы, раскрытые в нижеследующих примерах, представляют собой те составы и методы, которые обнаружены авторами изобретения как хорошо функционирующие при практическом применении изобретения; однако специалисты должны также понимать с учетом настоящего описания, что в раскрытые частные варианты осуществления можно внести много изменений и все-таки получить сходный или близкий результат, не выходя за объем изобретения.

Пример

Приготовили электрохимическую ячейку, содержавшую в качестве анода снабженный покрытием титановый стержень диаметром 0,5 см. Покрытие анода состояло из 10 г/м² смешанных оксидов иридия и тантала в мольном отношении 2:1. Снабженную покрытием просечно-вытяжную титановую сетку, служащую носителем для второго каталитического компонента (компонента катализатора), оборачивали вокруг указанного стержня с расположенной между ними прокладкой, чтобы обеспечить электроизоляцию. Покрытие титановой сетки состояло из 10 г/м² RuO₂/RhO₂ в мольном отношении 1:2. В качестве сырья-электролита подавали 2М раствор NaClO₃. Реакцию осуществляли при температуре 61°C и плотности анодного тока 50 мА/см².

Испытание проводили в течение 5 часов. Пробу отбирали каждый час и определяли ее характеристики в спектрофотометре УФ и видимой областей спектра (Hach DR 5000). На фигуре показано повышение концентрации диоксида хлора как функция времени.

Предшествующее описание не должно рассматриваться как ограничивающее изобретение, которое может применяться в соответствии с другими вариантами осуществления без выхода за его рамки и объем охраны которого определяется только прилагаемой формулой изобретения.

Во всем описании и формуле данной заявки термины «содержать», «включать» и такие их варианты, как «содержащий», «включающий» и «содержит», не предназначены исключать наличие других элементов, компонентов или дополнительных этапов способа.

Обсуждение документов, актов, материалов, устройств, изделий и т.д. включено в данное описание исключительно в целях обеспечения контекста для настоящего изобретения. Не предполагается и не представлено, что какой-либо или все эти объекты составляют часть основополагающего уровня техники или были общеизвестными сведениями в области, имеющей отношение к настоящему изобретению, до даты приоритета каждого пункта формулы изобретения данной заявки.

1. Электродный элемент, состоящий из цельного электрода, содержащего два отдельных каталитических компонента, размещенных в единственной отдельно стоящей детали, содержащий:

- подложку из вентильного металла;

- первый каталитический компонент, нанесенный на упомянутую подложку, причем упомянутый первый каталитический компонент пригоден для выделения кислорода из водного раствора при анодной поляризации;

- второй каталитический компонент, пригодный для образования диоксида хлора из раствора хлората в кислой среде;

причем упомянутые первый и второй каталитические компоненты электрически изолированы друг от друга.

2. Электродный элемент по п. 1, причем упомянутый второй каталитический компонент нанесен на керамический носитель.

3. Электродный элемент по п. 1, причем упомянутый второй каталитический компонент нанесен на металлический носитель.

4. Электродный элемент по п. 1, причем упомянутый первый каталитический компонент содержит оксиды благородных металлов.

5. Электродный элемент по п. 1, причем упомянутый второй каталитический компонент является смесью оксидов благородных металлов, выбранных из группы, состоящей из оксида рутения, оксида иридия, оксида палладия, оксида родия и оксида платины, необязательно содержащей оксид вентильного металла.

6. Электродный элемент по п. 1, причем упомянутый второй каталитический компонент выполнен в виде листа, сетки или пористого материала.

7. Электролитическая ячейка, содержащая по меньшей мере один электродный элемент, охарактеризованный в п. 1.

8. Электролитическая ячейка по п. 7, в которой электродные элементы расположены как массив нанесенных на подложки первых каталитических компонентов и вторых каталитических компонентов, вставленных друг в друга и изолированных друг от друга.

9. Электролитическая ячейка, содержащая по меньшей мере один охарактеризованный в п. 3 электродный элемент и источник питания, причем упомянутый второй каталитический компонент соединен с упомянутым источником питания.

10. Способ получения диоксида хлора на каталитическом компоненте, включающий этапы:

- обеспечение электрохимической ячейки, содержащей по меньшей мере один катод и по меньшей мере один охарактеризованный в п. 1 электродный элемент в качестве анода;

- заполнение упомянутой ячейки водным сырьем, содержащим раствор хлората;

- подвергание электролизу упомянутого сырья пропусканием электрического тока между катодом и анодом с образованием тем самым кислорода и кислотности на поверхности упомянутого первого каталитического компонента и, тем самым, кислотности в тесном контакте с поверхностью упомянутого второго каталитического слоя;

- отделение и извлечение диоксида хлора, образовавшегося на упомянутом втором каталитическом слое.