NO761543L - - Google Patents

Description

Det er vanlig å tilsette kjemikalier til kloakk for å desinfisere denne før den slippes ut i det omgivende vassdrag. Betraktelig oppmerksomhet er nylig blitt rettet mot dannelse av

slike desinfiserende kjemikalier, spesielt natriumhypokloritt, i elektrolyseceller på selve behandlingsstedet. En slik fremstilling på selve behandlingsstedet er ønsket på grunn av de problemer og omkostninger som er forbundet med skipning og lagring av fortyn-

nede hypoklorittoppløsninger og den risiko som er forbundet med håndtering av den mer konsentrerte klorgass i tettbebyggede strøk. Slike fremgangsmåter er spesielt tiltrekkende for kyststrøk hvor saltinnholdet i sjøvann utgjør en økonomisk kilde for natriumklorid som er et utgangsmateriale for fremstilling av hypokloritt.

I innlandet kan elektrolytter fremstilles fra fast natriumklorid

i ren eller uren form.

Elektrolyse av sjøvann, brakkvann eller forurenset saltvann fører imidlertid til det betydelige problem at det dannes store avsetninger på de katodiske overflater. Disse avsetninger som vanligvis utgjøres av kalsium- og magneisumhydroxyder og -carbonater, skyldes tilsynelatende elektrolyttens hardhet (kalsium, magnesium)

og fører til en sterk økning av cellearbeidsspenningen og bygges til slutt opp til en slik tykkelse at de hemmer eller hindrer elektrolyttstrømmen.

Det er derfor blitt gjort store anstrengelser på å fjerne, hindre eller nedsette mengden av disse avsetninger. Blant de foreslåtte løsninger har vært bruk av luftblest eller syrevasking for å fjerne avsetningen. Fremgangsmåter for å nedsette eller hindre disse avsetninger har gått ut på å foreta en strømtetthets-regulering, å anvende en strømlinjet elektrolyttstrøm og å anvende en høy elektrolytthastighet. Ingen av disse forsøk har ført til en kommersielt aksepterbar metode på grunn av den avstengnings- tid som fremdeles er nødvendig for rensing og/eller på grunn av den nedsatte arbeidseffektivitet som synes å være en uunngåelig følge, og alle disse ulemper fører til en økning av driftsomkostningene.

Det tas derfor ved oppfinnelsen sikte på å minske eller hindre dannelsen av katodiske avsetninger ved elektrolyse.av saltoppløs-ninger med høy hardhet under fremstilling av hypoklorittoppløsninger med optimalt utbytte.

Oppfinnelsen angår således en fremgangsmåte for å minske dannelsen av på grunn av hardhet forårsakede katodeavsetninger ved elektrolyse av urene, vandige saltoppløsninger, og fremgangsmåten '. er særpreget ved at

celle

a) det i en elektrolyse anvendes flate, kontinuerlige katoder med

-4

en overflateruhet på under 2,54 x 10 cm, og at

b) salto<p>pløsnin<g>en ledes mellom katodene og motsatt anordnede, parallele anoder under elektrolysen med en hastighet fra 0,3

m/s til et tall som er lik logaritmen uttrykt ved formelen:

konsentrasjon, i gram pr. liter, dividert med 4).

Anvendelse av den foreliggende fremgangsmåte byr på en rekke tydelige fordeler. Når katoder anvendes i form av en flat, kon-tinuerlig plate, innebærer dette at disse.ikke oppviser steder hvor avsatte kimkrystaller kan feste seg og vokse. En overflate med den angitte lave ruhet har vist seg å holde seg klar i lengre tid. Dessuten muliggjør en regulering av hastigheten innen det angitte område en minskning av dannelsen av avsetninger uten at dette går ut over strømutbyttet, selv dersom det forsøkes å fremstille sterkt konsentrert hypokloritt. Denne innbyrdes avhengig-het mellom hastigheten og konsentrasjonen antas ikke å ha vært erkjent tidligere. Det er denne kombinasjon av regulering av katodens fysikalske egenskaper og forholdet mellom hastigheten og konsentrasjonen som utgjør oppfinnelsen, idet ingen faktor alene er tilstrekkelig til at det vil kunne oppnås en kommersiell drift av cellen i lengre tid.

Det tilveiebringes ifølge oppfinnelsen i det vesentlige en fremgangsmåte for å omdanne urene, vandige saltoppløsninger, spesielt sjøvann, til en oppløsning med mikrobicide egenskaper. Dette oppnås ved hjelp av elektrolysen av saltoppløsningen ved

den forholdsvis lave strømtetthet og uten at saltoppløsningen

forbehandles kjemisk, for fremstilling av en hypoklorittoppløsning som derefter kan blandes direkte med det materiale som skal .behandles, f.eks. avløpsvannet fra et kommunalt avfallsbehandlings-anlegg eller kjølevann fra industrien.

het

Dette kan i alminnelig'oppnås ved å innføre saltoppløsningen

i en beholder (celle) med anordnede avvekslende rader av vertikalt anordnede anoder og katoder med en avstand fra hverandre av 0,2-

0,5 cm. Uår oppløsningen ledes mellom elektrodene og en elektrolyse-strøm tilføres, f.eks. 1,5-2 5 A/dm 2, dannes klor og natriumhydroxyd. En hurtig kjemisk reaksjon forekommer derefter under dannelse av natriumhypokloritt i en konsentrasjon som er avhengig av en rekke faktorer, som strømtetthet, elektrolyttens strømningshastighet, temperatur og dens saltkonsentrasjon.

Med uttrykket "uren saltoppløsning" som anvendt heri er ment

å betegne sjøvann, brakkvann eller en vandig oppløsning fremstilt fra et urent salt og hvorav alle inneholder kalsium- og magnesium-ioner. Konsentrasjonen av natriumklorid i oppløsningene vil av økonomiske og praktiske grunner som regel være 10-35 g/l.

De for utførelse av den foreliggende fremgangsmåte anvendte katoder er flate i den forstand at de ligger i et flatt plan, og kontinuerlige, dvs. at de ikke er perforerte eller oppdelt i seg-menter. De fremre og bakre, dvs. de vertikale, kanter er fortrinnsvis glatte og avrundede istedenfor vinkelformige. Selv om det generelt kan angis at jo glattere overflaten er, desto bedre vil resultatene være, skal katoder anvendes med en maksimal ruhet på under 2,54 x 10 ^ cm. Slike katoder er metalliske av forskjellige grunner, omfattende slitefasthet, elektrisk ledningsevne og

lav hydrogenoverspenning. Typiske metaller for slike katoder er titan, nikkel og forskjellige jern- og nikkellegeringer. En spesielt foretrukken legering er nikkellegeringen som selges under varemerket "Hastelloy C". Da overflatene er metalliske, kan den lave ruhet vanligvis oppnås ved hjelp av vanlige metallbearbeidings-metoder, f.eks. polering, dersom katodene ikke er blitt direkte fremstilt med den ønskede glatte overflate.

De anvendte anoder er på lignende måte flate og dimensjons-stabile, dvs. at de ikke i vesentlig grad er utsatt for kjemisk eller mekanisk slitasje under bruk. Anodenes sammensetning er ikke av avgjørende betydning for utførelse av den foreliggende frem- gangsmåte, og et hvilket som helst elektrisk ledende substrat med et elektrokatalytisk, aktivt belegg på overflaten vil vanligvis være tilstrekkelig. Som et typisk eksempel på en for utførelse av den foreliggende fremgangsmåte egnet anode kan nevnes titan belagt med en fast oppløsning av titandioxyd/rutheniumdioxyd.

Selv om plater, dvs. kontinuerlige anoder, er tilfredsstillende,

vil langt bedre resultater kunne- oppnås hvis perforerte anoder anvendes. Dette bidrar til å øke turbulensen mellom elektrodene uten at dette går ut over en jevn hastighet, hvorved katodeav-setningene reduseres ytterligere.

Ifølge en foretrukken utførelsesform gjøres eller holdes.den nedre eller "fremre" og fortrinnsvis den øvre eller "bakre" kant av den vertikalt anordnede anode elektrokatalytisk uaktiv. Der-

ved nedsettes muligheten for dannelse av avsetninger på katodens fremre og bakre kanter, formodentlig på grunn av at strømtettheten blir lavere på disse kanter, uten at det er nødvendig å gjøre katoden større. Et uaktivt område på ca. 0,6-1,2 cm i vertikal retning er tilstrekkelig for å oppnå den ønskede virkning.

Selv om de ovennevnte forholdsregler bidrar til sterkt å

minske mengden av avsetninger på katodene, synes dé ikke å utgjøre et fullstendig svar på dette problem. De tidligere foreslåtte forsøk på å redusere avsetningene ved å øke elektrolyttens hastighet fører, selv om derved denønskede virkning faktisk oppnås, til en sterk nedsettelse av strømutbyttet, spesielt når det forsøkes å fremstille hypoklorittoppløsninger med en høyere konsentrasjon, f.eks. 1,0-4,0 g/l.

Det har nu vist seg at strømutbyttet for en hypokloittcelle under bruk er omvendt proporsjonal med elektrolyttens hastighet forbi elektrodene. Selv om aksepterbare strømutbytter, f.eks.

over 80%, kan oppnås til og med ved så høye hastigheter som 1,7 m/s ved fremstilling av natriumhypoklorittoppløsninger inneholdende 1,0 g natriumhypokloritt pr. liter, kan en oppløsning inneholdende 2,0 g natriumhypokloritt pr. liter fremstilles med et strømut-

bytte på 80% bare når hastigheten ikke er over 1,0 m/s. Det bør bemerkes at hastigheten ikke kan senkes til vesentlig under 0,3 m/s da avsetningsproblemet også er omvendt proporsjonalt med hastigheten. Foruten å anvende katoder med den ovenfor angitte .fysikalske form

er det derfor også nødvendig å regulere hastigheten mellom 0,3 m/s

og det tall som er lik logaritmen uttrykt ved formelen: log

hastighet (;

i gram

pr. liter, dividert med 4).

Høyere hypoklorittkonsentrasjoner anvendes fortrinnsvis dersom fortynning av det materiale som skal behandles eller lagringen av hypokloritt, f.eks. for anvendelse ved toppbelastning, er et problem. Disse økede konsentrasjoner kan innen området for de ovennevnte parametre oppnås ved å øke cellehøydé eller ved å øke den elektriske strøm, som tilføres til. cellen.

Alle arbeidsbetingelser som ikke er nærmere angitt, er vanlige og ikke av avgjørende betydning for utførelse av den .foreliggende fremgangsmåte. Således er en pH av 7-10 og en temperatur av 5-50°C vanlig anvendt ved elektrolytisk fremstilling av natriumhypokloritt fra natriumklorid.

Eksempel 1

Det anvendes en celle inneholdende en rekke anoder av strukket titan og med et overflatebelegg av én fast oppløsning av titan- og rutheniumdioxyder og nikkelplatekatoder med en overflateruhet av under 2,54 x 10 cm anordnet i avstand av 0,24 cm fra anodene. Den anvendte elektrolytt er sjøvann (28 g/l NaCl) med en temperatur på25°C. Det anvendes en anodestrømtetthet på 7,75 A/dm^. Ved anvendelse av en elektrolytthastighet forbi elektrodene på 0,73 m/s fremstilles 0,43 g aktivt Cl2pr. liter (0,45 g/l i form av NaOCl)

i lengre tid uten dannelse av avsetninger og med et strømutbytte på 86%. Forsøk på å øke C^-konsentrasjonen utover den konsentrasjon som uttrykkes ved den ovennevnte formel, fører til et dårlig driftsresultat.

o

Således fremstilles under de samme betingelser en konsentrasjon av 3,48 g pr. liter med et strømutbytte på bare 21,6%. På den annen side fremstilles sterkere oppløsninger med høyere strømut-bytter ved å nedsette elektrolytthastigheten. Ved f.eks..en strømningshastighet på 0,23 m/s fremstilles 3,32 g pr. liter med et strømutbytte på 60,1%. Ved denne lave hastighet blir imidlertid dannelsen av avsetninger hurtig et problem.

Eksempel 2

En kommersiell prototypcelle anvendes derefter med anoder som beskrevet i eksempel 1 og med titanplatekatoder med en overflate ruhet på 2,5 x 10 cm. Elektrodeavstanden er igjen 0,24 cm. Elektrolytten består av sjøvann med en temperatur på 24°C. I alle tilfeller anvendes en strømtetthet på 11,6 A/dm 2 og en elektrolytthastighet på 0,6 m/s. Den variable i dette eksempel er den oppnådde hypoklorittkonsentrasjon som økes ved anvendelse av et resirkuléringssystem hvori den samme elektrolyttsats gjen-tatte ganger ledes gjennom cellen inntil den ønskede konsentrasjon nås. Resultatene erholdt ved varierende konsentrasjoner er gjen-gitt i den nedenstående tabell.

Dét fremgår av den ovenstående tabell at forsøksnummer 1 hvor produktkonsentrasjon ligger godt innenfor de verdier som er uttrykt ved hjelp av den ovenstående formel, gir et optimalt utbytte med et lavt energiforbruk. Efterhvert som konsentrasjonen øker uten en samtidig regulering av elektrolytthastigheten,faller imidlertid utbyttet, og energiforbruket øker. proporsjonalt. Det fremgår derfor av.det ovenstående at det foreligger et klart innbyrdes avhengighetsforhold mellom elektrolytthastigheten og pro-duktkonsentrasjonen hva gjelder strømutbyttet under drift og unngåelsen av katodeavsetninger.

Eksempel 3

En celle som beskrevet i eksempel 2 anvendes, men med platekatoder av riikkéllegeringen "Hastelloy C 276" med en overf lateruhet av 11,4 x 10 -5 cm. Ved en strømtetthet på 15,5 A/dm 2og sjøvann med en temperatur på 22°C og med en hastighet.på 0,6 m/s fremstilles 29,1 kg tilgjengelig Cl2pr. dag ved en konsentrasjon på 0,55 g/l. Det avsetningsproblem som vanligvis oppstår, nedsettes til et minimum, mens cellen gir et strømutbytte på 97% og har et energiforbruk på bare 3,26 kWh vekselstrøm/kg C^.

Eksempel 4

Cellen ifølge eksempel 1 anvendes for å elektrolysere sjøvann med en temperatur på 25°C og med en strømningshastighet på 0,6 m/s ved en strømtetthetpå o 15,5 A/dm 2. For det første forsøk anvendes -4 platekatoder av titan med en overflateruhet på 7,4 x 10 cm.

I løpet av 16 timer øket cellens arbeidsspenning med 0,67 V på

grunn av dannelsen av avsetninger på katodene. Når identiske titankatoder, men polert til en overflateruhet på 12,7 x 10 -5, anvendes, er spenningsøkningeh bare 0,05 V da katodene holder seg vesentlig renere.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for å nedsette dannelsen av hardhetsforårsakede katodeavsetninger ved elektrolyse av urene, vandige saltoppløsninger,karakterisertv 'ed at a) det anvendes flate, kontinuerlige katoder i en en elektrolyse- -4 celle og med en overflateruhet på under 2,54 x 10 cm, og at b) saltoppløsningen ledes mellom katodene og motsatt anordnede, mparallelle anoder under elektrolysen med en hastighet fra 0,3 m/s til det tall som er lik logaritmen uttrykt ved formelen tilaienaelia Cl^-konsentrasion, log hastighet

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat det anvendes anoder med fremre og bakre kanter som.er elektrokatalytisk uaktive.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2,karakterisertved at det anvendes perforerte anoder for å bevirke en turbulent strømning av oppløsningen mellom elektrodene.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3,karakterisertved at det anvendes katoder laget av en nikkellegeringsplate.