一种高纯二氧化氯制备装置及方法

本发明属于消毒，涉及一种高纯二氧化氯制备装置及方法。

背景技术：

1、二氧化氯作为一种绿色消毒剂。凭借其氧化性，可去除多种有机、无机污染物，广泛应用于环境消毒、水产养殖、畜牧防疫、食品加工、纸浆漂白和工业废水处理等领域。由于二氧化氯不稳定、易歧化分解，因此大量使用需要现用现制。制备二氧化氯的方法主要为化学法，通常以ch3oh、h2o2、so2为还原剂，在酸性介质中还原naclo3制得，或通过naclo2与酸反应制得。化学合成法工艺流程长，需消耗大量药剂，反应后剩余大量酸性废液，若不妥善处理，对环境造成巨大危害。化学法中还需要用到盐酸、硫酸等危化品，存在巨大安全隐患。并且在制备过程中需要加热，耗能高，无疑增加了制备成本。而电解法以电为驱动力，其强度大，效率高，反应安全且生成的产品纯度高。目前，较为理想的电解制备二氧化氯的方法主要分为电解食盐法、电解氯酸盐法和电解亚氯酸盐法。国内有以亚氯酸钠作为原料，电解槽作为发生器的二氧化氯发生工艺(发明专利cn110476962a、cn1216784a)，从而降低二氧化氯的制备成本，提高二氧化氯的制备效率。然而此方法制备得到的二氧化氯产量低且装置不能连续稳定运行，不适合大规模生产应用，也有以氯化钠和亚氯酸钠的混合液作为原料、以单个电解槽作为发生器的二氧化氯发生工艺(cn101591786a)，结构简单，但此方法因会产生氯气，得到的二氧化氯纯度低，并且反应产生的氢气未做收集，造成资源的浪费。上述发生工艺存在诸多缺点，因此，如何提高二氧化氯的产量、产率和纯度，降低生产成本和资源浪费、使装置连续稳定运行成为亟需解决的技术性问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的成本高、污染大的问题，本发明的目的在于提供一种高效、节能和安全的采用电解亚氯酸钠制备高纯二氧化氯的制备装置及方法。具体的，本发明以亚氯酸钠、氯化钠配制而成的水溶液作为原料，亚氯酸钠溶液加入阳极室，氯化钠溶液加入阴极室，在亚氯酸钠溶液中加入mnso4、nacl、niso4、coso4和c3cl2n3nao3构成的催化剂，然后将恒流电源的电流调至特定值，在曝气系统的曝气强度0.5～3l/min条件下进行制备。对比空白组该反应能在催化剂的作用下显著提高二氧化氯的产率。具体技术方案包括如下内容：

2、一种高纯二氧化氯制备装置，主要由反应系统、曝气系统、收集系统和控制系统4部分组成，控制系统通过导线分别与反应系统、曝气系统、收集系统相连接；曝气系统通过导管与反应系统相连接；收集系统通过导管与反应系统相连接。

3、所述控制系统根据温度、液面高度、二氧化氯浓度的参数来控制曝气量、进料量、进酸量、进水量、电流大小和电解池运行数目的参数。

4、所述反应系统由若干个电解池并联而成，通过控制电极和进药量控制单个电解池的产率；在其底端设置有残液汇集出口，残液出口作为电解残液的排出通道，在反应时电解残液会连续排入残液收集系统，电解残液的排出速度与亚氯酸钠溶液、氯化钠溶液的投加速度保持一致。

5、单个电解池通过离子交换膜将电解池分为阳极室和阴极室两部分，阴、阳极室底部分别设置残液出口。钌-铝-钴酸锂复合材料(lico1-x-yruxalyo2，0.0005≤x≤0.015，0.0005≤y≤0.015)作为阳极材料接电源正极，是一种新型电极材料，具有催化效果好、安全性高的优势，ni-fe合金陶瓷材料作为阴极材料接电源负极，具有较好的催化活性和稳定性。离子交换膜为epdm/pvdf阳离子交换膜，是采用epdm、pvdf、苯乙烯和二乙烯基苯为原料，浓硫酸为磺化剂，制备得到的具有互穿网络结构的阳离子交换膜，在电渗析过程中展现出低电阻、低能耗和较高的电流效率的特点，并且耐氧化、寿命长。

6、电解池阳极室顶部设置进料口a、进酸口a、液位计和二氧化氯流通管道，底部设置出液口、温度传感器，内部设置阳极，与电源正极相连，在进料口a处设置管道预热器，对阳极液进行预热，进料口a为亚氯酸钠溶液和催化剂的投料口，进酸口a为酸洗液进入阳极室的通道，阳极室产生的二氧化氯通过二氧化氯流通管道进入到二氧化氯收集系统。

7、电解池阴极室顶部设置进料口b、进酸口b、泄压阀和液位计，其底部设置出液口、温度传感器，在阴极室内部设置阴极，与电源负极相连，在进料口b处设置管道预热器，对阴极液进行预热，进料口b为氯化钠溶液的投料口，进酸口b为酸洗液进入阳极室的通道。泄压阀用来排出反应过程中阴极产生的气体，通过氢气导管收集到氢气储罐中。管道预热器，对电解液进行预热，预热温度为20～30℃。

8、所述的曝气系统，通过曝气导管分别与反应系统中电解池的阳极室和阴极室相连，在导管的底部连接着微孔曝气器，通过微孔曝气器分别对阳极室和阴极室进行曝气，能够加快反应速率和吹出制备产生的二氧化氯；曝气系统在运行时其曝气强度为0.5～3l/min。

9、所述的收集系统分为二氧化氯收集系统和氢气收集系统两部分，二氧化氯收集系统是装有纯水的非透明容器，在顶部设置进液口c，在底部设置出液口c和排空口。其内部设置二氧化氯流通管道、二氧化氯浓度检测器、温度传感器和液位计，时刻监测收集系统中的二氧化氯溶液浓度、温度和液面高度。二氧化氯流通管道尾部设置有微孔曝气器，在微孔曝气器的作用下，二氧化氯被充分吸收，进液口c作为纯水的入口，出液口c为制备所得二氧化氯溶液的出口，排空口作为残液的排出通道。二氧化氯检测器主要由410nm波长的led灯、光电管和玻璃管构成，二氧化氯溶液进入到玻璃管，在led灯的照射下，通过光电管检测出实时监测二氧化氯浓度；氢气收集系统包括除氧装置、氢气干燥机、氢气压缩机和氢气储罐，阴极产生的气体通过氢气流通管道依次经过除氧装置、氢气干燥机、氢气压缩机，最后收集到氢气储罐。

10、该反应系统在运行10h～240h后需要进行一次酸洗，根据水质情况相应延长或缩短酸洗周期。酸洗时，先打开电解池底部的出液口，把管道中的积存盐水排掉，然后打开进酸口a和进酸口b，通入浓度为5～10％的盐酸，或10～30％的柠檬酸。当电解池中液体装满电解池，关闭进酸口a和进酸口b，待酸水在电解池中浸泡1-2h后再把酸水排掉。

11、一种高纯二氧化氯的制备方法，采用上述制备二氧化氯装置实现，具体包括：

12、采用分析纯等级的亚氯酸钠和氯化钠为原料，0.1～5.0mol/l的亚氯酸钠溶液作为电解液置于阳极室，0.1～5.0mol/l的氯化钠溶液作为电解液置于阴极室，催化剂加入到亚氯酸钠溶液中。催化剂为mnso4、nacl、niso4、coso4和c3cl2n3nao3中的一种或上述物质的任意比例的混合物。投加催化剂的总浓度为0.01～0.1mol/l。

13、所述装置的运行周期为10h～240h，在第0min时，通过进料口a投加0.1～5.0mol/l的亚氯酸钠溶液和0.01～0.1mol/l催化剂，通过进料口b投加0.1～5.0mol/l的氯化钠溶液，亚氯酸钠溶液和氯化钠溶液的投加速度为0.001～0.05mol/(l·min)。

14、本发明的有益之处在于：

15、(1)采用亚氯酸钠和氯化钠作为原料，原料价格低廉易得、安全；

16、(2)加入催化剂，显著提高二氧化氯的产率，且产物中二氧化氯的纯度都大于90％；

17、(3)反应以电能为驱动力，产量可调，可快速启停。