Хлорат натрия применение. Перхлорат натрия: формула, общие сведения, химические свойства. натрия хлорат: поведение в окружающей среде

Изобретение относится к области производства хлората натрия, широко используемого в различных областях промышленности. Электролиз раствора хлорида натрия осуществляют сначала в хлорных диафрагменных электролизерах. Образующиеся хлоридно-щелочные растворы и электролитический хлор-газ смешивают с получением хлорид-хлоратного раствора. Полученный раствор смешивают с маточником стадии кристаллизации и направляют на бездиафрагменный электролиз с последующей выпаркой хлорид-хлоратных растворов и кристаллизацией хлората натрия. Продукты диафрагменного электролиза могут частично отводиться для получения из хлор-газа соляной кислоты для подкисления хлоратного электролиза и использования хлоридно-щелочных растворов для орошения санитарных колонн. Технический результат - понижение расхода электроэнергии и возможность организации автономного производства. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области производства хлората натрия, широко используемого в различных областях промышленности. Мировое производство хлората натрия достигает нескольких сот тысяч тонн в год. Хлорат натрия применяется для получения двуокиси хлора (отбеливатель), хлората калия (бертолетова соль), хлоратов кальция и магния (дефолианты), перхлората натрия (полупродукт для производства твердого ракетного топлива), в металлургии при переработке урановой руды и т.д. Известен способ получения хлората натрия химическим способом, при котором растворы гидроксида натрия подвергаются хлорированию с получением хлората натрия. По своим технико-экономическим показателям химический способ не выдерживает конкуренции с электрохимическим, поэтому в настоящее время практически не употребляется (Л.М.Якименко "Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов", Москва, из-во "Химия", 1974, с. 366). Известен способ получения хлората натрия путем электролиза раствора хлорида натрия в каскаде бездиафрагменных электролизеров с получением хлорид-хлоратных растворов, из которых кристаллический хлорат натрия выделяется методом выпарки и кристаллизации (K.Wihner, L.Kuchler "Chemische Technologie", Bd.1, "Anorganische Technologie", s.729, Munchen, 1970; Л.М.Якименко, Т. А.Серышев "Электрохимический синтез неорганических соединений, Москва, из-во "Химия", 1984, стр. 35-70). Этот способ наиболее близок к предлагаемому изобретению. Основная технологическая стадия, бездиафрагменный электролиз растворов хлорида натрия, протекает с выходом по току 85-87%. Процесс ведут на окисно-рутениевых анодах при температуре 70-80 o C, pH 7 при постоянном подкислении электролита 10%-ным раствором соляной кислоты. Перед подачей на стадию выделения твердого продукта электролит подщелачивают до избытка щелочи 1 г/л с добавлением восстановителя для разрушения коррозионно- активного гипохлорита натрия, всегда присутствующего в продуктах электролиза. Побочным анодным процессом при электролизе хлоридных растворов является выделение Cl 2 , что не только снижает выход по току, но и требует очистки электролизных газов в санитарных колоннах, орошаемых раствором щелочи. Осуществление процесса поэтому связано с существенным расходом соляной кислоты и щелочи: на 1 т хлората натрия тратится ~120 кг 31% соляной кислоты и 44 кг 100% NaOH. По этой же причине хлоратные производства организуются там, где есть хлорный электролиз, поставляющий каустическую соду и электролитический хлор и водород для синтеза соляной кислоты, в то время как зачастую имеется потребность в автономном производстве хлората натрия в точках, удаленных от хлорных производств. Но и там, где хлорное производство и хлоратный электролиз расположены рядом, при остановках и отключениях хлорного электролиза по тем или иным причинам происходит и вынужденное отключение хлоратного электролиза,

Таким образом, известный способ имеет существенные недостатки: большие энергетические затраты (не очень высокий выход по току) и невозможность организации автономного производства. Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения хлората натрия электролизом растворов хлорида натрия с пониженными энергетическими затратами. Поставленная задача решается предложенным способом, при котором сначала хлорид натрия перерабатывается в хлорных диафрагменных электролизерах с получением газообразного хлоргаза и электролитических щелоков состава 120-140 г/л NaOH и 160-180 г/л NaCl, которые затем в полных объемах или частично подвергают взаимодействию между собой с получением хлорид-хлоратного раствора 50-60 г/л NaClO 3 и 250-270 г/л NaCl, направляемого на бездиафрагменный электролиз. Процесс хлоратного бездиафрагменного электролиза осуществляют при подкисленнии соляной кислотой. Полученный при этом хлоратный раствор, содержащий и хлорид натрия, направляют на стадии выпарки, а затем кристаллизации хлората. Маточник со стадии кристаллизации вместе с продуктами взаимодействия щелочи и хлора от диафрагменного электролиза направляют на бездиафрагменный хлоратный электролиз. Перед подачей на стадию выделения твердого продукта электролит подщелачивают до избытка щелочи 1 г/л с добавлением восстановителя для разрушения гипохлорита натрия. При частичном отведении продуктов электролиза хлорных диафрагменных электролизеров хлор используется для получения соляной кислоты, применяемой для подкисления хлоратного электролиза, а щелочь используется для орошения санитарных колонн при очистке электролизных газов. При такой схеме 30-35 г хлорида натрия из 300-310 г, содержащихся в каждом литре исходного раствора, перерабатывается в условиях хлорного электролиза. Такая схема обуславливает снижение энергетических затрат, т.к. выход по току хлорного электролиза выше, а напряжение на электролизерах ниже, чем в хлоратном электролизе, и при проведении частично электрохимического окисления хлорида натрия в хлорат в условиях хлорного электролиза улучшаются показатели всего процесса в целом. Кроме того, при использовании описываемой схемы снижаются затраты на охлаждение электролиза, т. к. хлорные электролизеры в охлаждении не нуждаются. Заметим, что более глубокое срабатывание хлорида в условиях хлорного электролиза, чем оговорено (около 10%), приводит к невозможности сбалансировать технологическую схему по хлоридам, хлоратам и воде и потому не имеет смысла. В рамках предложенной схемы возможно получение дополнительного эффекта при подаче на хлоратный электролиз растворов с увеличенной по NaClO 3 концентрацией, получаемых из более концентрированных по NaОH, чем диафрагменные щелока, растворов щелочи, для хлорирования которых может утилизироваться хлор, содержащий инерты. Электрощелока хлорного электролиза могут смешиваться с хлор-газом не полностью, а частично. При этом часть электрощелоков диафрагменного электролиза, не направленная на хлорирование, отводится для использования в санитарных колоннах, а эквивалентная часть электролитического хлора может быть использована для синтеза соляной кислоты. Направление электрощелоков из диафрагменных электролизеров в санитарные колонны, а электролитического хлор-газа на получение соляной кислоты решает проблему автономного хлоратного производства, так как поставка щелочи и кислоты со стороны уже не будет требоваться. Доля хлорида натрия, перерабатываемая в хлорных электролизерах, определяется тем, будут ли полученные продукты использоваться только для получения в результате их взаимодействия хлорид-хлоратных щелоков, после смешения с маточником со стадии кристаллизации на бездиафрагменный электролиз, или электрощелока хлорных электролизеров будут использоваться только для подщелачивания, а электролитический хлор - для синтеза хлорной кислоты для подкисления в схеме хлоратного электролиза, или часть продуктов будет использоваться в одном направлении, а часть в другом. Преимуществами предложенного способа являются:

1) снижение энергетических затрат за счет проведения начальной стадии электролиза с большим выходом по току и при меньшем напряжении, чем в обычном хлоратном электролизе: выход по току 92-94% и напряжение 3,2 В в хлорном электролизе против 85-90% и 3,4 В и выше соответственно в хлоратном;

2) возможность получения одновременно с основным продуктом - хлоратом натрия - щелочных растворов, необходимых по технологической схеме для подщелачивания и орошения санитарных колонн;

3) возможность использования хлора, получаемого в хлорных электролизерах, для получения на месте соляной кислоты для подкисления хлоратного электролиза. Пример

В опытном электролизере ведут хлорный диафрагменный электролиз раствора хлорида натрия концентрации 300 г/л на окисно-рутениевых анодах при плотности тока 1000 А/м 2 и температуре 90 o C. Полученные электролитические щелока, содержащие 140 г/л NaOH и 175 г/л NaCl, смешивают с анодным хлор-газом и получают хлорид-хлоратный раствор состава 270 г/л NaCl и 50 г/л NaClO 3 . Этот раствор подают далее на бездиафрагменный хлоратный электролиз, проводимый в каскаде из 4 электролизеров с окисно-рутениевыми анодами при плотности тока 1000 А/м 2 и температуре 80 o C с получением конечного раствора следующего состава: 105 г/л NaCl и 390 г/л NaClO 3 . Таким образом, из одного 1 л исходного хлоридного раствора нарабатывается с учетом 10% уменьшения объема раствора за счет уноса паров воды с электролизными газами и испарения 355 г хлората натрия, из которых 50 г (14,1%) получилось после смешения продуктов хлорного диафрагменного электролиза, а 305 (85,9%) наработано в процессе хлоратного электролиза. Напряжение на хлорном электролизере было 3,3 В при выходе по току 93%. Среднее напряжение на хлоратном электролизере составило 3,4 В при выходе по току 85%. Удельный расход электроэнергии W (кВтч/т. Таким образом, снижение энергетических затрат составило 12,1%.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения хлората натрия путем электролиза раствора хлорида натрия с последующей выпаркой хлорид-хлоратных растворов и кристаллизацией хлората натрия с возвратом маточника стадии кристаллизации в процесс, отличающийся тем, что сначала электролиз раствора хлорида натрия осуществляют в хлорных диафрагменных электролизерах с получением щелочно-хлоридных растворов и электролитического хлор-газа, которые смешивают с получением хлорид-хлоратного раствора и направляют после смешения с маточником стадии кристаллизации на бездиафрагменный электролиз. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукты диафрагменного электролиза отводят частично для получения из хлор-газа соляной кислоты для подкисления хлоратного электролиза и использования хлоридно-щелочных растворов для орошения санитарных колонн.

Электрохимическое получение хлоратов натрия и калия осно­вано на анодном окислении хлорноватистой соли:

6С1СГ + 60Н" = 2CIO3 + 4СГ + 17202 + зн2о

Теоретический выход хлората при электролизе нейтрального раствора NaCl с платиновыми анодами составляет 66,67% ш. Элек­тролиз ускоряется в кислой среде при добавке НС1, а также при повышении температуры вследствие ускорения химического окисле­ния гипохлорита натрия. Добавка других кислот, например НВг, не влияет на выход по току й скорость реакции19". Теоретический выход хлората по току в кислом растворе может составить 100% вследствие одновременного протекания наряду с разрядом ионов СЮз химического окисления гипохлорита хлорноватистой киелотой По реакции:

2НС10 + СЮ" = CIO3 + 2СГ + 2Н+

Но при большой кислотности может произойти выделение части Хлора в виде газа вследствие сдвига равновесия реакции гидролиза хлора влево. Поэтому используют раствор с рН = 6,7, что соответ­ствует соотношению хлората и свободной кислоты, равному 1:2.

При этих условиях выхода по току хлората могут превысить 90%.

Предложено также для устранения изменения кислотности в процессе электролиза предварительно насытить электролит хло­ром 192. В раствор вводят 4-10 г /л хромата или бихромата натрия для предотвращения восстановления хлорноватисто - и хлорновато - кислой соли на кагоде вследствие образования на нем пленки основных соединений хрома. В присутствии Na2Cr04 потери от вос­становления снижаются до 1-3% вместо 70% без добавки.

Электролиз раствора NaCl осуществляют в настоящее время с применением графитированных анодов и стальных катодов вместо платиновых; процесс ведут при 35-50°, при рН раствора около 6,7, при объемной плотности тока 1,7-14 а/л, анодной плотности 300-1400 а/м2 и катодной плотности 250-540 а/м2. Выход по току составляет в среднем 80-85%. Расход энергии на 1 т NaClOs со­ставляет около 1500 квт-ч. Проведение электролиза при более высокой температуре связано со значительным расходом графита. Применение магнетитовых анодов вместо графитовых позволяет повысить температуру до 70°5Э. Однако1 магнетитовые аноды реже применяются вследствие малой их электропроводности ш.

Имеются попытки еще больше увеличить плотности тока: объ­емную до 64 а/л, анодную до 6000 а/м 2 и катодную до 3100 а/м2193. Для проведения процесса могут быть использованы электролизеры с нагрузкой 15-18 тыс. а107.

Электролиз может быть осуществлен или с получением раствора хлората низкой концентрации с последующей выпаркой и кристал­лизацией, или в каскаде электролизеров с получением хлоратных щелоков высокой концентрации ш" 194 и кристаллизацией NaC103 охлаждением.

Исходный раствор содержит 195: 270-280 г/л NaCl, 50-60 г/л NaClOa, 5-6 г/л Na2Cr207 и 0,5-0,6 г/л НС1. Его получают сме­шением рассола поваренной соли и вторичного маточного раствора после кристаллизации NaC103.

В выходящем слабом растворе, направляемом на выпаривание, содержится 300-450 г/л NaC103 и 150-180 г/л NaCl. Полученный раствор необходимо освободить от непрореагировавшего гипохло - рита для предотвращения коррозии. Это осуществляют нагрева­нием раствора паром до 85-95° и последующим восстановлением растворами муравьинокислой, сернистой соли и др. Обезвреженный раствор отделяют от частиц графита в отстойнике и на песочном фильтре, а затем выпаривают до плотности 1,5-1,6 г/см3. При вы­паривании выделяется хлористый натрий, который после промывки используют для приготовления исходного рассола.

Упаренный раствор содержит в среднем 900 г/л NaC103, 80-100 г/л NaCl и 17-18 г/л Na2Cr207. Его отделяют от NaCl, нагревают до 100° и донасыщают хлоратом, выделенным из ма­точных растворов. После донасыщения раствор плотностью.- 1,63 г/см3 и концентрацией около 1100 г/л NaC103, охлаждают в эмалированном чугунном кристаллизаторе до 30°. Выделившиеся кристаллы хлората натрия отделяют от раствора центрифугирова­нием, промывают водой от желтой пленки хромовокислой соли и высушивают горячим воздухом.

Маточный раствор, полученный после кристаллизации основной массы хлората, упаривают и выделенный после этого хлорат ис­пользуется для донасыщения раствора, идущего на кристаллиза­цию. Получаемый при этом вторичный маточный раствор направ­ляют на смешение с соляным рассолом 188-1Э6.

В некоторых случаях кристаллизацию NaCl03 из раствора после электролиза осуществляют без предварительного его упари­вания с направлением его непосредственно на охлаждение. В этом случае получают при электролизе раствор, содержащий 550- 610 г/л NaC103 и 100 г/л NaCl. После отстаивания частичек гра­фита и дополнительной очистки на фильтре раствор подвергают кристаллизации при охлаждении в аппаратах непрерывного дей­ствия. Хлорат натрия отделяют от маточного раствора, высуши­вают и измельчают. Маточный раствор, содержащий непрореагиро - вавший NaCl, используют для растворения новых количеств соли.

Однако приход в процесс превышает ее расход на ~60 кг На 1 т NaC103. Поэтому во избежание разбавления растворов рекомендуют 197 производить подпарку щелоков или сократить ввод воды на отдельных стадиях производственного цикла. На производ­ство 1 г NaC103 по этому методу расходуют194: 5200-5500 квт-ч Электроэнергии, 4-8 кг электродов и холода около 200 тыс. ккал. При работе с выпаркой при том же расходе электроэнергии вместо холода расходуется 1,8-2,5 мгкал пара.

При производстве электрохимическим методом хлората калия 173 электролизу подвергают раствор, содержащий 250 г/л КС1, 50 г/л КСЮз, 3 г/л К2Сг207, при рН =» 5,5. Мощность электролизеров равна 3000 а. Напряжение на ванне 3 в. Выходящий из ванны рас­твор, содержащий 150-200 г/л КС103, после разложения гипохло­рита направляют на кристаллизацию в бетонную колонну-холо­дильник. Сверху в колонну распыливают раствор, а снизу подают

22 М. Е. Позин вентилятором воздух при 15-20°. При этом происходит частичное выпаривание раствора с одновременной кристаллизацией хлората Вытекающую из нижней части колонны пульпу вначале сгущают в отстойнике, а затем разделяют на центрифуге. Маточный раствор возвращают в процесс после донасыщения его хлоридом калия. Кристаллы хлората калия иногда растворяют и перекристаллизо - вывают для получения высококачественного продукта.

Иногда хлорат калия производят комбинированным методом в две стадии. Вначале ведут электролиз раствора хлорида натрия, содержащего также некоторое количество КСЮ3 (от оборотных растворов). Затем проводят обменную реакцию NaC103 с хлоридом калия 198. Предварительно щелок подвергают хлорированию. При хлорировании образуется дополнительное количество NaC103 за счет неокислившегося при электролизе NaCIO. При этом NaC103 получается взаимодействием гипохлорита и хлорноватистой кис­лоты 199"200 (см. выше).

При электролизе смешанного раствора NaCl и КС1 конверсия NaC103 при помощи КС1 осуществляется в меньшем объеме вслед­ствие образования значительных количеств КС103 электрохимиче­ским путем. Исходный раствор содержит 70-100 г/л КСЮ3 (от оборотных растворов), 180-220 г/л NaCl, 100-130 г/л КС1, 5- 6 г/л NaaCr207 и 0,6-0,7 г/л НС1. В результате электролиза по­лучают раствор, содержащий 150-200 г/л КСЮз, 80-120 г/л NaC103, 60-70 г/л КС1, 140-160 г/л NaCl. Его нагревают до 100° .в аппарате с мешалкой, куда подают твердый хлорид калия. Кон­вертированный раствор, содержащий 270-300 г/л КСЮз, 180-200 г/л NaCl и 100-130 г/л КС1, охлаждают до 35-40° для кристаллизации КСЮ3. После отделения выделившихся кри­сталлов маточный раствор возвращают на электролиз, доводя его состав до первоначального.

На получение 1 т КСЮ3 электролизом смешанного раствора расходуется 0,61-0,65 г КС1, 15-20 кг НС1, 1,5-2,0 кг К2Сг207 и около 6000 квт-ч электроэнергии.

Перхлорат натрия — это кристаллическое вещество без цвета и запаха. Обладает гигроскопичностью и образует несколько кристаллогидратов. С химической точки зрения, представляет собой натриевую соль хлорной кислоты. Не горюч, но обладает токсичным действием. Химическая формула перхлората натрия - NaClO 4 .

Получение

Описываемое вещество может быть получено как химическим путем, так и электрохимическим. В первом случае обычно пользуются обычной реакцией обмена между хлорной кислотой и гидроксидом или карбонатом натрия. Также возможно термическое разложение хлората натрия. При 400-600 °C он образует перхлорат и хлорид натрия. Но данный способ довольно опасен, так как есть угроза взрыва при протекании реакции.

Теоретически можно осуществлять химическое окисление хлората натрия. Самым эффективным окислителем в данном случае будет оксид свинца (IV) в кислой среде. Обычно в реакционную смесь добавляют хлорную кислоту.

Чаще всего в промышленности пользуются электрохимическим способом. Он дает более чистый продукт, да и в целом более эффективен. В качестве сырья используют все тот же хлорат натрия, который при окислении на платиновом аноде дает перхлорат. Для экономичности процесса хлорат натрия получают на более дешевых электродах типа графитового. Существует также перспективный метод получения перхлората натрия в одну стадию. В качестве анода здесь используется перекись свинца.

Механизмы электрохимического получения

Полностью механизм окисления хлората в перхлорат до конца еще не изучен, существуют лишь предположения относительно него. Исследования ведутся до сих пор.

Наиболее обоснованным является вариант, основанным на предположении об отдаче электрона на аноде хлорат-иона (ClO 3 -), в результате которого образуется радикал ClO 3 . Он в свою очередь взаимодействует с водой, образуя перхлорат.

Это предположение высказывается в ряде авторитетных научных работ. Также оно подтверждается результатами исследований процессов окисления хлоратов до перхлоратов в водных растворах, меченных тяжелыми изотопами кислорода 18 O. Было выяснено, что 18 O входит сначала в состав хлората и только затем в ходе окислительного процесса переходит в состав перхлорат-иона. Но необходимо учитывать, что смена материала анода (например, с платинового на графитовый) может также изменить механизм реакции.

Второй вариант протекания процесса заключается в окислении ионов хлората кислородом, который образуется при отдаче электронов гидроксид-ионом.

Согласно этому варианту, скорость реакции напрямую зависит от концентрации хлората в электролите, т. е. с понижением его концентрации скорость должна увеличиваться.

Существует также вариант, основанный на одновременной отдаче электронов как хлорат-ионом, так и гидроксид-ионом. Образующиеся в результате реакций радикалы обладают высокой активностью и окисляются кислородом, который выделяется от OH - .

Физические свойства

Перхлорат натрия очень хорошо растворим в воде. Его растворимость гораздо сильнее, чем у других перхлоратов. По этой причине при производстве перхлоратов сначала получают перхлорат натрия, а потом при необходимости переводят его в другие соли хлорной кислоты. Также он хорошо растворим в жидком аммиаке, ацетоне, перекиси водорода, этаноле и этиленгликоле.

Как уже было сказано выше, он обладает гигроскопичностью, и при гидролизе перхлорат натрия образует кристаллогидраты (моно- и дигидраты). Также может образовывать сольваты с другими соединениями. При температуре 482 °C плавится с разложением на хлорид натрия и кислород. При использовании добавок пероксида натрия, оксида марганца (IV), оксида кобальта (II, III) температура разложения понижается до 150-200 °C.

Химические свойства

Натриевая соль хлорной кислоты — очень сильный окислитель, настолько, что окисляет многие органические вещества до углекислого газа и воды.

Обнаружить перхлорат-ион можно с помощью реакции с солями аммония. При прокаливании смеси протекает реакция:

3NaClO4 + 8NH 4 NO 3 → 3KCl + 4N 2 + 8HNO 3 + 12H 2 O.

Еще один способ обнаружения — это реакция обмена с калием. Перхлорат калия гораздо менее растворим в воде, поэтому будет выпадать в осадок.

NaClO 4 + KCl → KClO 4 ↓ + NaCl.

С другими перхлоратами может образовывать комплексные соединения: Na 2 , Na, Na.

Применение

Из-за образования кристаллогидратов, применение перхлората натрия крайне затруднено. В основном его применяют как гербицид, хотя последнее время все меньше. Почти весь перхлорат натрия переводят в другие перхлораты (например, калия или аммония) или хлорную кислоту и используют в синтезе многих других соединений за счет сильных окислительных свойств. Также его можно использовать в аналитической химии для определения и осаждения катионов калия, рубидия и цезий, причем как из водных, так и из спиртовых растворов.

При термическом разложении всех перхлоратов выделяется кислород. Благодаря этому, соли можно применять как источник кислорода в ракетных двигателях. Некоторые перхлораты могут использоваться во взрывотехнике. Перхлорат калия применяется в медицине для лечения гипертиреоза. Это заболевание обусловлено повышенной функцией щитовидной железы, а любой перхлорат обладает свойством уменьшать деятельность этой железы, что и необходимо для приведения организма в норму.

Опасность

Сам по себе перхлорат натрия негорючий, но при взаимодействии с некоторыми другими веществами может привести к пожару или взрыву. В огне он может выделять токсичные газы или пары (хлор или хлороксиды). Тушение можно производить водой.

Перхлорат натрия при комнатной температуре практически не испаряется, но при его распылении он может попасть в организм. При его вдыхании возникает кашель, раздражение слизистых оболочек. При попадании на кожу появляются покраснения. В качестве первой помощи, рекомендуется промывать места попадания обильным количеством воды с мылом, а также избавиться от загрязненной одежды. При длительном воздействии на организм, он попадает в кровь и приводит к образования метгемоглобина.

При введении животным (в частности грызунам) 0,1 г перхлората натрия у них повысилась рефлекторная возбудимость, появились судороги и столбняк. После введения 0,22 г крысы погибали через 10 часов. При введении такой же дозы голубям, у них появлялись только мягкие симптомы отравления, но через 18 часов они погибали. Это говорит о том, что отправление перхлоратом натрия развивается очень медленно.

Изобретение относится к области производства хлората натрия, широко используемого в различных областях промышленности. Электролиз раствора хлорида натрия осуществляют сначала в хлорных диафрагменных электролизерах. Образующиеся хлоридно-щелочные растворы и электролитический хлор-газ смешивают с получением хлорид-хлоратного раствора. Полученный раствор смешивают с маточником стадии кристаллизации и направляют на бездиафрагменный электролиз с последующей выпаркой хлорид-хлоратных растворов и кристаллизацией хлората натрия. Продукты диафрагменного электролиза могут частично отводиться для получения из хлор-газа соляной кислоты для подкисления хлоратного электролиза и использования хлоридно-щелочных растворов для орошения санитарных колонн. Технический результат - понижение расхода электроэнергии и возможность организации автономного производства. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области производства хлората натрия, широко используемого в различных областях промышленности. Мировое производство хлората натрия достигает нескольких сот тысяч тонн в год. Хлорат натрия применяется для получения двуокиси хлора (отбеливатель), хлората калия (бертолетова соль), хлоратов кальция и магния (дефолианты), перхлората натрия (полупродукт для производства твердого ракетного топлива), в металлургии при переработке урановой руды и т.д. Известен способ получения хлората натрия химическим способом, при котором растворы гидроксида натрия подвергаются хлорированию с получением хлората натрия. По своим технико-экономическим показателям химический способ не выдерживает конкуренции с электрохимическим, поэтому в настоящее время практически не употребляется (Л.М.Якименко "Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов", Москва, из-во "Химия", 1974, с. 366). Известен способ получения хлората натрия путем электролиза раствора хлорида натрия в каскаде бездиафрагменных электролизеров с получением хлорид-хлоратных растворов, из которых кристаллический хлорат натрия выделяется методом выпарки и кристаллизации (K.Wihner, L.Kuchler "Chemische Technologie", Bd.1, "Anorganische Technologie", s.729, Munchen, 1970; Л.М.Якименко, Т. А.Серышев "Электрохимический синтез неорганических соединений, Москва, из-во "Химия", 1984, стр. 35-70). Этот способ наиболее близок к предлагаемому изобретению. Основная технологическая стадия, бездиафрагменный электролиз растворов хлорида натрия, протекает с выходом по току 85-87%. Процесс ведут на окисно-рутениевых анодах при температуре 70-80 o C, pH 7 при постоянном подкислении электролита 10%-ным раствором соляной кислоты. Перед подачей на стадию выделения твердого продукта электролит подщелачивают до избытка щелочи 1 г/л с добавлением восстановителя для разрушения коррозионно- активного гипохлорита натрия, всегда присутствующего в продуктах электролиза. Побочным анодным процессом при электролизе хлоридных растворов является выделение Cl 2 , что не только снижает выход по току, но и требует очистки электролизных газов в санитарных колоннах, орошаемых раствором щелочи. Осуществление процесса поэтому связано с существенным расходом соляной кислоты и щелочи: на 1 т хлората натрия тратится ~120 кг 31% соляной кислоты и 44 кг 100% NaOH. По этой же причине хлоратные производства организуются там, где есть хлорный электролиз, поставляющий каустическую соду и электролитический хлор и водород для синтеза соляной кислоты, в то время как зачастую имеется потребность в автономном производстве хлората натрия в точках, удаленных от хлорных производств. Но и там, где хлорное производство и хлоратный электролиз расположены рядом, при остановках и отключениях хлорного электролиза по тем или иным причинам происходит и вынужденное отключение хлоратного электролиза, Таким образом, известный способ имеет существенные недостатки: большие энергетические затраты (не очень высокий выход по току) и невозможность организации автономного производства. Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения хлората натрия электролизом растворов хлорида натрия с пониженными энергетическими затратами. Поставленная задача решается предложенным способом, при котором сначала хлорид натрия перерабатывается в хлорных диафрагменных электролизерах с получением газообразного хлоргаза и электролитических щелоков состава 120-140 г/л NaOH и 160-180 г/л NaCl, которые затем в полных объемах или частично подвергают взаимодействию между собой с получением хлорид-хлоратного раствора 50-60 г/л NaClO 3 и 250-270 г/л NaCl, направляемого на бездиафрагменный электролиз. Процесс хлоратного бездиафрагменного электролиза осуществляют при подкисленнии соляной кислотой. Полученный при этом хлоратный раствор, содержащий и хлорид натрия, направляют на стадии выпарки, а затем кристаллизации хлората. Маточник со стадии кристаллизации вместе с продуктами взаимодействия щелочи и хлора от диафрагменного электролиза направляют на бездиафрагменный хлоратный электролиз. Перед подачей на стадию выделения твердого продукта электролит подщелачивают до избытка щелочи 1 г/л с добавлением восстановителя для разрушения гипохлорита натрия. При частичном отведении продуктов электролиза хлорных диафрагменных электролизеров хлор используется для получения соляной кислоты, применяемой для подкисления хлоратного электролиза, а щелочь используется для орошения санитарных колонн при очистке электролизных газов. При такой схеме 30-35 г хлорида натрия из 300-310 г, содержащихся в каждом литре исходного раствора, перерабатывается в условиях хлорного электролиза. Такая схема обуславливает снижение энергетических затрат, т.к. выход по току хлорного электролиза выше, а напряжение на электролизерах ниже, чем в хлоратном электролизе, и при проведении частично электрохимического окисления хлорида натрия в хлорат в условиях хлорного электролиза улучшаются показатели всего процесса в целом. Кроме того, при использовании описываемой схемы снижаются затраты на охлаждение электролиза, т. к. хлорные электролизеры в охлаждении не нуждаются. Заметим, что более глубокое срабатывание хлорида в условиях хлорного электролиза, чем оговорено (около 10%), приводит к невозможности сбалансировать технологическую схему по хлоридам, хлоратам и воде и потому не имеет смысла. В рамках предложенной схемы возможно получение дополнительного эффекта при подаче на хлоратный электролиз растворов с увеличенной по NaClO 3 концентрацией, получаемых из более концентрированных по NaОH, чем диафрагменные щелока, растворов щелочи, для хлорирования которых может утилизироваться хлор, содержащий инерты. Электрощелока хлорного электролиза могут смешиваться с хлор-газом не полностью, а частично. При этом часть электрощелоков диафрагменного электролиза, не направленная на хлорирование, отводится для использования в санитарных колоннах, а эквивалентная часть электролитического хлора может быть использована для синтеза соляной кислоты. Направление электрощелоков из диафрагменных электролизеров в санитарные колонны, а электролитического хлор-газа на получение соляной кислоты решает проблему автономного хлоратного производства, так как поставка щелочи и кислоты со стороны уже не будет требоваться. Доля хлорида натрия, перерабатываемая в хлорных электролизерах, определяется тем, будут ли полученные продукты использоваться только для получения в результате их взаимодействия хлорид-хлоратных щелоков, после смешения с маточником со стадии кристаллизации на бездиафрагменный электролиз, или электрощелока хлорных электролизеров будут использоваться только для подщелачивания, а электролитический хлор - для синтеза хлорной кислоты для подкисления в схеме хлоратного электролиза, или часть продуктов будет использоваться в одном направлении, а часть в другом. Преимуществами предложенного способа являются: 1) снижение энергетических затрат за счет проведения начальной стадии электролиза с большим выходом по току и при меньшем напряжении, чем в обычном хлоратном электролизе: выход по току 92-94% и напряжение 3,2 В в хлорном электролизе против 85-90% и 3,4 В и выше соответственно в хлоратном; 2) возможность получения одновременно с основным продуктом - хлоратом натрия - щелочных растворов, необходимых по технологической схеме для подщелачивания и орошения санитарных колонн; 3) возможность использования хлора, получаемого в хлорных электролизерах, для получения на месте соляной кислоты для подкисления хлоратного электролиза. Пример В опытном электролизере ведут хлорный диафрагменный электролиз раствора хлорида натрия концентрации 300 г/л на окисно-рутениевых анодах при плотности тока 1000 А/м 2 и температуре 90 o C. Полученные электролитические щелока, содержащие 140 г/л NaOH и 175 г/л NaCl, смешивают с анодным хлор-газом и получают хлорид-хлоратный раствор состава 270 г/л NaCl и 50 г/л NaClO 3 . Этот раствор подают далее на бездиафрагменный хлоратный электролиз, проводимый в каскаде из 4 электролизеров с окисно-рутениевыми анодами при плотности тока 1000 А/м 2 и температуре 80 o C с получением конечного раствора следующего состава: 105 г/л NaCl и 390 г/л NaClO 3 . Таким образом, из одного 1 л исходного хлоридного раствора нарабатывается с учетом 10% уменьшения объема раствора за счет уноса паров воды с электролизными газами и испарения 355 г хлората натрия, из которых 50 г (14,1%) получилось после смешения продуктов хлорного диафрагменного электролиза, а 305 (85,9%) наработано в процессе хлоратного электролиза. Напряжение на хлорном электролизере было 3,3 В при выходе по току 93%. Среднее напряжение на хлоратном электролизере составило 3,4 В при выходе по току 85%. Удельный расход электроэнергии W (кВтч/т), вычисленный по данным эксперимента по формуле W = 1000E/mBT, где E - напряжение на ячейке (B); m - электрохимический эквивалент (г/Ач); BT - выход по току в долях единицы,
составил для хлорного электролиза 2517 кВтч/т, а для хлоратного - 5996 кВтч/т, что с учетом доли хлората, выработанного в результате смешения продуктов хлорного электролиза, дает 5404,9 кВтч/т. Расход электроэнергии без применения хлорного электролизера составил на этой же установке 6150 кВтч/т. Таким образом, снижение энергетических затрат составило 12,1%.

Формула изобретения

1. Способ получения хлората натрия путем электролиза раствора хлорида натрия с последующей выпаркой хлорид-хлоратных растворов и кристаллизацией хлората натрия с возвратом маточника стадии кристаллизации в процесс, отличающийся тем, что сначала электролиз раствора хлорида натрия осуществляют в хлорных диафрагменных электролизерах с получением щелочно-хлоридных растворов и электролитического хлор-газа, которые смешивают с получением хлорид-хлоратного раствора и направляют после смешения с маточником стадии кристаллизации на бездиафрагменный электролиз. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукты диафрагменного электролиза отводят частично для получения из хлор-газа соляной кислоты для подкисления хлоратного электролиза и использования хлоридно-щелочных растворов для орошения санитарных колонн.