способ и устройство для изменения химического состава жидких токопроводящих сред

Формула изобретения

1. Способ изменения химического состава жидких токопроводящих сред, включающий воздействие на них электрическим током, в результате чего в объеме обрабатываемой жидкой токопроводящей среды протекают электрохимические процессы, отличающийся тем, что одновременно с воздействием электрическим током жидкие токопроводящие среды подвергают облучению ультразвуком, после чего дополнительно подвергают воздействию ультразвукового поля, вызывающего в объеме жидкой токопроводящей среды эффект кавитации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкие токопроводящие среды подвергают воздействию ультразвукового поля и электрического тока под избыточным давлением.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения жидкой токопроводящей среды предварительно производят смешивание обрабатываемого вещества с электролитом на основе водных растворов ионогенных соединений.

4. Устройство для изменения химического состава жидких токопроводящих сред, состоящее из электродного блока электрохимического устройства, отличающееся тем, что оно снабжено насосом для подачи жидкой токопроводящей среды, подсоединенным к электродному блоку электрохимического устройства, ультразвуковым излучателем, зона воздействия которого направлена в межэлектродное пространство электродного блока, подсоединенного на выходе к полости ультразвукового воздействия дополнительного ультразвукового излучателя.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено на выходе потока жидкой токопроводящей среды дросселем.

6. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что оно снабжено емкостью для ультразвукового смешивания электролита и обрабатываемого вещества.

7. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что оно снабжено теплообменником.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области изменения химического состава жидких токопроводящих сред путем проведения управляемого электрохимического процесса.

В частности, изобретение может быть использовано при осуществлении мер по защите окружающей среды от загрязнений высокотоксичными химическими соединениями.

Известен электрохимический метод изменения химического состава жидких токопроводящих сред, нашедший применение для детоксикации высокотоксичных химических соединений, заключающийся в том, что жидкую токопроводящую среду, состоящую из высокотоксичных химических соединений, смешанных с раствором одновалентного нитрата серебра в концентрированной азотной кислоте, прокачивают через электродный блок электрохимического устройства, где генерируются высокоактивные ионы двухвалентного серебра путем электрохимического окисления обычного одновалентного серебра, которые вступают во взаимодействие с высокотоксичными химическими соединениями. В результате этого высокотоксичные химические соединения разлагаются до ди- и монооксида углерода, кислорода, воды и минеральных кислот. За счет этого разложения двухвалентные ионы серебра восстанавливаются до обычных одновалентных. Последние, будучи растворены в концентрированной азотной кислоте, рециркулируют через электрохимическую ячейку для непрерывной генерации свежих двухвалентных ионов серебра в течение всего процесса. Образующиеся при обработке газы проходят при температуре 10^oC через конденсатоотводчик для удаления из них паров воды, кислоты и затем пропускаются через скруббер с едким натром перед выбросом в атмосферу.

Однако данный электрохимический способ имеет ограниченные возможности изменения химического состава жидких токопроводящих сред и является недостаточно быстрым. Кроме того, он, ввиду высокой коррозионной активности используемого электролита, требует дополнительных мер по обеспечению безопасной работы технологического оборудования.

Целью настоящего изобретения является интенсификация и расширение возможностей изменения химического состава жидких токопроводящих сред.

Предлагаемый способ изменения химического состава жидких токопроводящих сред заключается в том, что производят одновременное воздействие на жидкие токопроводящие среды ультразвуком и электрическим током, в результате чего осуществляются электрохимические реакции анодного окисления и катодного восстановления, химические реакции окисления и восстановления в объеме подвергаемой воздействию жидкой токопроводящей среды посредством образующихся в ходе электродных процессов активных форм окислителей и восстановителей. Кроме того, ультразвуковое поле, создаваемое в межэлектродном пространстве, позволяет избежать образования солевых и оксидных пленок на поверхности электродов и препятствует зашламлению электродного блока.

Далее жидкие токопроводящие среды дополнительно подвергаются мощному ультразвуковому воздействию, вызывающему в объеме обрабатываемой жидкой токопроводящей среды эффект кавитации. При адиабатическом сжатии кавитационного пузырька в воде температурой 25^oC температура внутри его может достигнуть 5000К, а давление порядка 1000 атм, что подтверждается экспериментальными данными. При таких условиях молекулы воды внутри кавитационного пузырька переходят в возбужденное состояние и расщепляются на радикалы H, OH, а также, возможно, ионизируются с образованием e_aq, т.е. электронов с присоединенными к ним нейтральными молекулами воды. Частично радикалы рекомбинируют, причем состав конечных радикальных и молекулярных продуктов разложения воды в ультразвуковом поле будет зависеть от природы растворенного в воде газа. В присутствии He, Ne, Ar, Kr, Xe конечными продуктами будут являться H, OH, e_aq, H₂, H₂O₂. В атмосфере кислорода первоначально образовавшиеся радикалы H и e_aq с наибольшей скоростью реагируют с O₂ и основными продуктами расщепления воды являются HO₂, O₂, OH, H₂O₂; в атмосфере водорода разнообразие продуктов разложения воды наименьшее и образуются только H, e_aq, H₂. В результате протекания вышеописанных процессов происходит инициирование звукохимических окислительно-восстановительных реакций, протекающих между обрабатываемым веществом и продуктами расщепления внутри кавитационного пузырька молекул воды и газов.

Кроме того, ультразвуковое поле способствует увеличению скорости протекания химических окислительно-восстановительных реакций между обрабатываемым веществом и образовавшимися в электродном блоке особо активными реагентами.

Для усиления эффекта кавитации жидкие токопроводящие среды в процессе обработки подвергают избыточному давлению. Создание в системе избыточного давления в 3 ... 5 атм приводит к тому, что скорость процесса увеличивается в 10 раз за счет резкого увеличения количества энергии, выделяющейся при схлопывании кавитационного пузырька.

Существенным отличием предлагаемого способа является то, что появляется возможность использовать в качестве жидкой токопроводящей среды смесь обрабатываемого вещества и водных растворов солей щелочных металлов. При этом в результате взаимодействия образующегося на катоде атомарного водорода с компонентами электролита возможно образование химических соединений, проявляющих активность по отношению к обрабатываемому веществу, например образование аммиака из нитрат-ионов при использовании в качестве электролита водного раствора нитрата натрия.

Происходящий в электродном блоке процесс анодного окисления сопровождается реакцией растворения металла анода, протекающей в случае образования простых гидратированных ионов по схеме

[M] + xH₂O = M²⁺ xH₂O + Ze

или, если образуются ионы металла

[M] + xA + yH₂O = MA^z-xx yH₂O + Ze.

Образовавшиеся гидроокиси металлов обладают повышенным запасом химической энергии и также вступают в окислительно-восстановительные реакции с обрабатываемым веществом.

Устройство для изменения химического состава жидких токопроводящих сред по способу состоит из насоса для подачи жидких токопроводящих сред, подсоединенного к электродному блоку электрохимического устройства, снабженного ультразвуковым излучателем, зона воздействия которого направлена в межэлектродное пространство электродного блока, подсоединенного на выходе к полости ультразвукового воздействия дополнительного ультразвукового блока.

Кроме этого, устройство может быть снабжено дросселем, расположенным на выходе потока жидкой токопроводящей среды.

Помимо этого, устройство для изменения химического состава жидких токопроводящих сред дополнительно может быть снабжено емкостью для смешивания электролита и обрабатываемого вещества, снабженной ультразвуковыми излучателями.

Для исключения потери тепла устройство может быть снабжено теплообменником.

На чертеже изображена общая схема устройства по изобретению.

На чертеже изображены емкость для обрабатываемого вещества 1 и емкость для электролита 2, подсоединенные через вентили 3 и 4 к емкости для смешивания электролита и обрабатываемого вещества 5, на днище которого закреплены ультразвуковые излучатели 6, с выходом которого соединен насос 7 для подачи жидкой токопроводящей среды, соединенный с входом электродного блока 8 электрохимического устройства, к нижней части последнего подключен ультразвуковой излучатель 9 таким образом, что зона воздействия его направлена в межэлектродное пространство электродного блока 8, подсоединенного на выходе к полости ультразвукового воздействия дополнительного ультразвукового излучателя 10, подсоединенного, в свою очередь, к теплообменнику 11 через дроссель 12.

Устройство работает следующим образом. Обрабатываемое вещество из емкости 1 и электролит из емкости 2 поступают в требуемом соотношении в емкость для смешивания электролита и обрабатываемого вещества 5, после чего вентили 3 и 4 перекрываются. Включаются ультразвуковые излучатели 6 и происходит смешивание электролита и обрабатываемого вещества с образованием жидкой токопроводящей среды. Насосом 7 жидкая токопроводящая среда подается в межэлектродное пространство электродного блока 8 и подвергается одновременному воздействию электрического тока и ультразвука, далее жидкая токопроводящая среда поступает в полость ультразвукового воздействия излучателя 10. Давление в системе регулируется дросселем 12, а теплоотвод осуществляется теплообменником 11.

Примеры конкретного использования способа.

Проводилась детоксикация O,O-диметил-O-/2,2-дихлорвинил/-фосфата, являющегося фосфорорганическим ядохимикатом, относящимся к первому классу опасности.

Рабочий раствор готовился путем смешивания 100 г O,O-диметил-O-/2,2- дихлорвинил/-фосфата с 900 мл 12%-ного водного раствора нитрата натрия. Затем рабочий раствор подвергался обработке путем комбинированного электрохимического и ультразвукового воздействия в течение 50 мин. Частота ультразвуковых колебаний составляла 23 кГц, подаваемое напряжение на электроды 6В. Во время обработки проводился периодический отбор проб рабочего раствора для аналитического контроля за содержанием обрабатываемого вещества. Анализ рабочего состава на наличие в нем O,O-диметил-O-/2,2-дихлорвинил/-фосфата осуществлялся согласно унифицированной методике определения фосфорорганических пестицидов в воде N 1911-78 от 27.09.1978 г.

Предложенный способ и устройство для изменения химического состава жидких токопроводящих сред позволяют за счет ускорения протекания электрохимических процессов и более радикального изменения химического состава использовать в качестве электролита менее агрессивные вещества, что приводит к обеспечению безопасной работы и снижает требования к технологическому оборудованию, упрощая и удешевляя его эксплуатацию.