<EMI ID=1.1>
La présente invention concerne un procédé de production d'hypochlorite de sodium, Plus spécifiquement, l'invention concerne un procédé de production d'hypochlorite de sodium
utile pour le traitement d'oxydation lors d'une stérilisation,
d'une décoloration, d'une désodorisation, d'une élimination de
fer et d'une élimination de manganèse des eaux de rivières, des
eaux de villes, des eaux d'égouts, des eaux résiduaires, etc.,
ainsi que pour d'autres applications.
En règle générale/ on formé de l'hypochlorite de sodium en faisant réagir une solution d'hydroxyde de sodium concentré avec du chlore gazeux et les qualités disponibles
dans le commerce ont une concentration en chlore disponible d'environ 12% en poids. Les solutions aqueuses d'hypochlorite
de sodium disponibles dans le commerce sont influencées par la température, les impuretés, la lumière solaire, etc. au cours de leur conservation et elles subissent une décomposition ou une réaction chimique, entraînant ainsi une réduction de la concentration de chlore disponible. La réduction de la concentration de chlore disponible est particulièrement importante en été et l'on enregistre généralement une perte d'environ 25% de chlore disponible.
En vue d'éviter cette réduction de la concentration en chlore disponible, on peut adopter un procédé consistant à prévoir une cuve électrolytique sans membrane à un endroit situé
à proximité de l'installation de traitement des eaux, puis charger directement dans cette dernière une solution aqueuse d'hypochlorite de sodium formée par électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de sodium. Dans ce cas également, il existe des causes de réduction de la quantité de chlore disponible lors de la formation dune solution aqueuse d'hypochlorite de sodium.
La quantité de chlore disponible représente la quantité de chlore se trouvant dans la solution aqueuse d'hypochlorite de sodium et elle est généralement exprimée par l'équation suivante :
<EMI ID=2.1>
Une cause de la réduction de la quantité de chlore disponible réside dans le fait que l'ion hypochlorite subit une réduction électrochimique à la cathode conformément aux réactions suivantes :
<EMI ID=3.1>
Une autre cause de la réduction de la quantité de chlore disponible est la formation de chlorate de sodium dans la solution suivant la réaction (3). indiquée ci-après :
<EMI ID=4.1>
En raison de ces différents facteurs, le rapport entre l'utilisation efficace du chlorure de sodium et le débit de courant est médiocre dans les cuves électrolytiques classiques sans diaphragme pour la production d'hypochlorite de sodium,
<EMI ID=5.1>
De plus, étant donné que la vitesse da la réaction
<EMI ID=6.1>
la quantité d'ion chlorate formé augmente suivant que les concentrations de chlore disponible et les températures s'élèvent. Dès lors, le débit de courant et le rapport d'utilisation du sel de départ diminuent tous deux davantage encore dans la cuve électrolytique sans membrane pour la production d'hypochlorite de sodium.
Dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique n[deg.]
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d'hypochlorite par électrolyse de solutions aqueuses de chlorures. L'effet de la température sur la formation de chlorate de sodium semble y être décrit, mais on ne décrit ni ne mentionne l'effet du rapport spécifique entre la surface réelle de l'anode et la surface réelle de la cathode.
Les Brevets des Etats-Unis d'Amérique n[deg.] 3.849.281 et 3.819.504 concernent une cuve électrolytique pour la production d'hypochlorites de métaux alcalins, spécifiquement en utilisant plusieurs compartiments unitaires dans le Brevet des EtatsUnis d'Amérique 3.849.281 avec des électrodes ayant des structure particulières. Aucun de ces deux Brevets ne stipule qu'il doit y avoir une relation particulière entre la surface de l'anode et la surface de la cathode si l'on veut obtenir de meilleurs débita de courant.
En conséquence, un objet de la présente invention
est; de produire de l'hypochlorite de sodium économiquement et avec une bonne efficacité. L'invention prévoit un procédé de production d'hypochlorite de sodium en évitant les réactions
<EMI ID=8.1>
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ainsi qu'en utilisant efficacement le sel de départ.
Suivant une,forme de réalisation de .la présente invention, on peut inhiber les réactions (1) et (2) par un
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électrolyser' une solution aqueuse de chlorure de sodium dans une cuve électrolytique sans diaphragme comprenant au;moins un compar-
<EMI ID=11.1> prévu dans ou entre les compartiments unitaires afin de maintenir la solution électrolytique à une température d'environ 50[deg.]C ou
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forme de réalisation de l'invention permet un fonctionnement plus économique de la cuve électrolytique.
Dans les dessins annexés :
la figure 1 est une représentation graphique de la relation entre le débit de courant et le rapport de la surface réelle de l'anode vis-à-vis de la surface réelle de la cathode ; la figure 2 est-une représentation graphique montrant la relation entre la densité moyenne de courant efficace à la cathode et le débit de courant ; la figure 3 est une représentation graphique de la relation entre la quantité de chlorate de sodium formé et la température de l'électrolyte ;
les figures 4 à 9 sont des vues illustrant la deuxième forme de réalisation du procédé de la présente invention.
La présente inventipn est l'aboutissement des découvertes et des études décrites ci-après.
La relation entre le rapport de la surface réelle de l'anode vis-à-vis de la surface réelle de la cathode et le débit de courant sur la base de la concentration du chlore disponible a été examinée pour découvrir des conditions d'élec-
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de sodium et le débit, de courant basés sur la concentration de
<EMI ID=14.1>
laquelle le débit de courant augmente que le rapport entre la surface réelle de l'anode et la surface réelle de la
<EMI ID=15.1> de courant suffisants du point de vue économique, la surface réelle de l'anode doit, de préférence, être égale à au moins environ 1,5 fois la surface réelle de la cathode.
Spécifiquement, on utilise une anode en titane enduite d'un oxyde d'un métal du groupe du platine, ainsi qu'une cathode en titane et l'on évalue le débit de courant en modifiant le rapport entre la surface réelle de l'anode et la surface
réelle de la cathode, tout en maintenant une densité de courant constante à l'anode. On observe la relation illustrée en figure
1 (la température de la solution électrolytique est de 40[deg.]C).
Le débit de courant varie suivant le type d'anode utilisée, cependant que la courbe représentant la relation entre le débit
de courant et le rapport de la surface réelle de l'anode vis-àvis de la surface réelle de la cathode présente la même tendance qu'en figure 1 quel que soit le type d'anode utilisé. Si le rapport réel précité entre les surfaces est d'au moins environ 1,5:1, le débit de courant est économiquement rentable quel que soit le type d'anode utilisé.
En effet, étant donné que l'étape de la réaction de réduction cathodique de l'hypochlorite de sodium au cours de laquelle est déterminée la vitesse, est basée sur une diffu-
<EMI ID=16.1>
cathodique (1) et (2) sont réduites lorsque la surface réelle de la cathode est plus petite que celle de l'anode.
On a également étudié la relation entre la densité moyenne de courant efficace à la cathode et le débit de courant et l'on a observé la relation représentée en figure 2 (la tempé-
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<EMI ID=18.1>
la densité moyenne de courant efficace à la cathode augmente.
i .
La tendance (représentée en figure 2) à l'accroissement du
débit de courant basé sur la concentration de chlore disponible
si la densité moyenne de courant efficace à la cathode augmente alors que la densité de courant à l'anode reste constante, est
la même que la tendance illustrée en figure 1. La figure 2
montre également qu'il est souhaitable de régler la densité moyenne de courant efficace à la cathode à une valeur d'au
moins environ 20 A/dm2, de préférence, entre 20 et 80 A/dm2.
En d'autres mots, dans une cuve électrolytique ayant une structure dans laquelle la surface réelle de l'anode est égale à au moins environ 1,5 fois la surface réelle de la cathode, si l'on règle la densité moyenne de courant efficace à la cathode à une valeur se situant entre environ 20 et 80 A/dm2, on peut obtenir
de l'hypochlorite de sodium avec un meilleur débit de courant.
La densité moyenne de courant efficace à l'anode
ne dépasse avantageusement pas environ 60 A/dm2 et, du point de vue de la durabilité de l'anode, cette valeur ne dépasse pas,
de préférence, environ 20 A/dm2.
La concentration de la solution du sel de départ , et la température de la solution électrolytique sont des facteurs ! influençant le débit de courant dans la production d'hypochlorite de sodium par électrolyse d'une solution aqueuse de chlorure de
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première forme de réalisation de la présente invention, la con- centration de la splution aqueuse de chlorure de sodium de
départ se situe, de préférence, entre environ 20 et environ 50 g/litre pour obtenir une solution aqueuse d'hypochlorite de sodium ayant une concentration en chlore disponible d'au moins
<EMI ID=20.1>
tration étant nécessaire pour une opération économique et également pour atteindre un haut débit de courant. Le pH de la solu-tion aqueuse de chlorure de sodium de départ sera compris entre environ 5 et environ 10, tandis qu'une température appropriée
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Une température appropriée pour l'électrolyse effectuée dans la première forme de réalisation du procédé de l'invention peut se situer entre environ 5 et moins d'environ
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entre environ 2,3 et environ 10 volts,de préférence, entre 4 et
<EMI ID=24.1>
être les suivantes : densités de courant à la cathode : environ
20 à environ 80 A/dm2, de préférence, 20 à 40 A/dm2, comme décrit ci-dessus ; densités de courant à l'anode : environ 4 à 60 A/dm2, de préférence 10 à 20 A/dm2.
Dans le procédé classique de production d'hypochlorite de sodium, on effectue l'électrolyse à une densité de courant de 5 à 20 A/dm2 à la fois à l'anode et à la cathode en tenant compte de la consommation des électrodes, de l'élévation
de la température de la solution électrolytique et du débit de courant de l'anode.
Puisqu'on sait habituellement que la matière de l'anode est 5 à 10 fois plus coûteuse que celle de la cathode,
la densité de courant à l'anode est supérieure à celle existant
à la cathode afin de diminuer les frais consentis pour les matières des électrodes, tandis que la densité de courant entre les électrodes est réduite afin de diminuer la tension.
En conséquence, compte tenu des remarques qui précèdent, on a également effectué des études sur l'accroissement du débit de courant en réglant la température de la solution électrolytique. Spécifiquement, on a effectué des recherches
pour trouver un intervalle de températures appropriées pour que <EMI ID=25.1>
la solution électrolytique inhibe la réaction (3) et l'on a également pratiqué des examens concernant l'effet exercé par
la température sur la formation d'hypochlorite de sodium dans
une cuve électrolytique sans diaphragme. Ces travaux ont abouti
à la découverte de la relation représentée en figure 3.
La figure 3 montre que la quantité de chlorate de sodium réduisant le débit de courant et le rapport d'utilisation efficace du chlorure de.sodium augmentent suivant que la température s'élève et, du fait qu'il y a un point d'inflexion
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tration de chlore disponible formé si l'on veut augmenter le débit de courant et le rapport d'utilisation efficace du chlorure de sodium de départ lors de la production d'hypochlorite de sodium dans une cuve électrolytique sans diaphragme. Afin d'augmenter la concentration de chlore disponible, tout en empêchant une réduction du débit de courant et du rapport d'utilisation efficace du chlorure de sodium de départ et, dès lors, afin de conduire économiquement l'opération, il convient de prolonger la durée de séjour de l'électrolyte contenant du chlorure de sodium dans la cuve électrolytique. En effet, il
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la quantité de chlorate de sodium formé par la réaction (3) augmente. En conséquence, il n'y a pas de doute; que l'on doit éviter l'élévation de température.
De plus, ainsi qu'on l'a décrit ci-dessus, la densité de courant à la cathode est avantageusement réglée à une valeur d'au moins environ 20 A/dm2 afin d'augmenter le débit
de courant basé sur la concentration de chlore disponible formé, ainsi qu'afin d'inhiber la réaction de réduction cathodique de l'ion hypochlorite. Toutefois, la température de.la solution électrolytique s'élève suivant que la densité de courant augmente.
Lorsque l'électrolyse est effectuée à une densité de courant cathodique d'au moins environ 20 A/dm2, si l'on veut effectuer une production économique d'hypochlorite de sodium ayant une concentration en chlore disponible d'au moins environ 3 g/l,
la température de la solution électrolytique s'élève nettement.
Il est toujours nécessaire d'empêcher l'élévation de la tempé- rature de la solution électrolytique.
En maintenant la température de la solution
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préférence, à une valeur ne dépassant pas 45[deg.]C grâce à un refroidissement positif, on met en oeuvre la deuxième forme de réalisation du procédé de l'invention que l'on peut adopter pour produire économiquement de l'hypochlorite de sodium sans entraîner , un net accroissement de la consommation de courant et de la quantité du sel de départ consommé.
Si l'on prend en considération la durée de vie
des électrodes ou la résistance électrique, la température de la solution électrolytique est, de préférence, d'environ 5[deg.]C ou plus.
Dans la deuxième forme de réalisation du procédé
de la présente invention, à l'exception de la température d'en- viron 50[deg.]C ou moins à laquelle l'électrolyte est réglé, on peut adopter les mêmes conditions de traitement que celles décrites ci-dessus pour la première forme de réalisation de l'invention.
Les parois et les cloisons du ou des compartiments unitaires utilisés dans les formes de réalisation de la présente invention peuvent être réalisées en matières résistant à la corrosion et électriquement isolantes telles que le chlorure de polyvinyle, le polypropylène, les résines acryliques ou les
résines de polycarbonates. Parmi les matières anodiques appropriées, il y le titane enduit d'un métal du groupe du platine,
le titane enduit d'un oxyde d'un métal du groupe du platine, etc., tandis que, parmi les matières cathodiques appropriées, il y a le fer, le nickel, le titane, l'acier inoxydable, etc. On peut éventuellement faire varier les dimensions de l'anode et de la cathode pour autant que le rapport entre la surface réelle de l'anode et la surface réelle de la cathodes o i t d'environ
1,5:1 ou plus. Il n'y a aucune limite supérieure à ce rapport mais, en règle générale, il peut aller jusqu'au delà de 5:1.
Un rapport préféré entre la surface réelle de l'anode et la surface réelle de la cathode se situe entre 1,5:1 et 3:1.
Comme le comprendra l'homme de métier, un compartiment unitaire contient un ou plusieurs éléments d'écartement empêchant le contact entre les électrodes, de même que des supports appropriés pour ces dernières. Dans les différentes formes de réalisation
de la présente invention, l'anode et la cathode peuvent avoir n'importe quelle forme ; par exemple, on peut utiliser des électrodes sous forme de plaques planes, des électrodes du type
en barres, des électrodes du type à toile métallique, etc.
Les dimensions des surfaces réelles de l'anode et de la cathode sont calculées d'après les formes de ces dernières. Dès lors,
le rapport d'au moins environ 1,5:1 entre la surface réelle
de l'anode et la surface réelle de la cathode est obtenu en réglant la dimension de la surface réelle de l'anode, de même
que la dimension de la surface réelle.de la cathode entrant en contact avec l'électrolyte constitué d'une solution aqueuse de chlorure de sodium.
Er. conséquence, suivant la présente invention,
les réactions (1) et (2) ci-dessus sont inhibées et, en réglant
<EMI ID=30.1>
moins, on inhibe la réaction (3) ci-dessus formant du chlorate de sodium, si bien que la concentration d'hypochlorite de sodium peut être maintenue à une valeur plus élevée.
La première forme de réalisation de l'invention
<EMI ID=31.1>
seconde forme de réalisation de l'invention permet d'inhiber
<EMI ID=32.1>
d'hypochlorite de sodium peut être maintenue à une valeur élevée et l'on peut obtenir une solution aqueuse d'hypochlorite de sodium à peu de frais et avec une bonne efficacité. Partant,
la présente invention est particulièrement appropriée pour la production d'hypochlorite de sodium utilisé pour le traitement
des eaux, etc.
Dans la seconde forme de réalisation de la présente invention, on peut assurer un. refroidissement particulièrement efficace de la solution électrolytique en prévoyant au moins un élément de refroidissement dans ou entre les compartimentis unitaires constituant la cuve électrolytique et en faisant circuler la solution électrolytique à travers cet élément de refroidissement.
Les figures 4 à 9 des dessins annexés représentent ' des procédés spécifiques pouvant être adoptés pour refroidir la solution électrolytique en utilisant des éléments de refroidissement.
<EMI ID=33.1> fiquement le procédé de l'invention.
Les figures 4 et 5 illustrent un procédé dans lequel la solution électrolytique 2 est soumise à une électrolyse tandis qu'elle est. en circulant dans un dispositif de refroidissement 3 prévu entre lies' compartiments unitaires 4 de la cuve électrolytique. En' particulier, la figure 5 montre
<EMI ID=34.1> réalisés en une structure d'une seule pièce. La figure 6 montre
i
<EMI ID=35.1>
j
<EMI ID=36.1>
compartiment unitaire 4 en vue de refroidir la solution électro- lytique 2. La figure 7 représente un élément en vue de refroidir la solution électrolytique au moyen d'un dispositif de refroidis-
<EMI ID=37.1>
introduit de l'eau ou un gaz de refroidissement 9.
Dans les figures 4 à 7, le chiffre de référence
5 représente une anode et le chiffre de référence 6, une cathode.
La figure 8 illustre plus spécifiquement cette forme de réalisation. En figure 8, la cuve électrolytique 1 comprend plusieurs compartiments unitaires 4 séparés par des cloisons 8. Le dernier compartiment inférieur 4a est relié directement à une admission de solution électrolytique 7, tandis que le dernier compartiment unitaire supérieur 4e est relié à une sortie de solution électrolytique 10. Dans chaque cloison 8, est pratiquée une ouverture 11 par laquelle la solution électrolytique peut passer en un mouvement ascendant. Un dispositif de refroidissement 3 est prévu entre les compartiments unitaires 4c et 4d. Lorsque la solution électrolytique monte dans les compartiments unitaires, elle circule 4 travers le dispositif de refroidissement prévu entre les compartiments 4c et 4d, la température de cette solution étant ainsi maintenue <EMI ID=38.1>
La structure du dispositif de refroidissement 3 utilisé dans les formes de réalisation décrites ci-dessus n'est pas particulièrement limitée. Par exemple, .comme le montre la figure 9, qui est une Vue en. perspective d'un dispositif de refroidissement.,- la structure peut être conçue de telle sorte qu'un milieu de refroidissement circule à travers de nombreuses conduites, D'afin d'empêcher les fuites de courant vers l'élé- <EMI ID=39.1> réalisé, de préférence, en une résine synthétique électriquement isolante telle que le chlorure de polyvinyle ou le polypropylène. Le milieu de refroidissement peut être un liquide tel que l'eau, une saumure, etc., ou encore un gaz tel que le Fréon, l'éthylène gazeux, l'ammoniac gazeux, etc. Dès lors, la chaleur de l'électrolyte en est dissipée par transfert vers le milieu de refroidissement.
En figure 8, l'anode 5 et la cathode 6 sont disposées horizontalement ; toutefois, la structure de la cuve élec- trolytique utilisée dans cette forme de réalisation n'est pas limitée à celle représentée en figure 8. De plus, en figure 8,
la cuve électrolytique a une structure dans laquelle les compartiments unitaires sont superposés verticalement. Toutefois, la cuve électrolytique peut avoir une structure dans laquelle les compartiments unitaires sont disposés latéralement en série. Le nombre de compartiments unitaires n'est pas particulièrement limité et, par ailleurs, on peut également augmenter ou diminuer ' le nombre de dispositifs de refroidissement suivant le nombre
de compartiments unitaires présents. En règle générale, <3> à 15 et plus généralement, 5 à 10 compartiments unitaires sont en service.
Etant donné que la présente forme de réalisation permet d'inhiber la formation de chlorate de sodium suite à la réaction (3) dans la solution électrolytique, tout en permettant de maintenir une haute concentration d'hypochlorite de sodium
(concentration de chlore disponible), on peut préserver un haut débit de courant et utiliser efficacement le chlorure de sodium
de départ. Dès lors, on peut fabriquer économiquement de l'hypcchlorite de sodium.
Les exemples suivants sont donnés afin d'illustrer la présente invention d'une manière plus détaillée. Sauf indication contraire, toutes les parties, tous les pourcentages, tous les rapports et analogues sont en poids.
EXEMPLE 1
On soumet une soluticn aqueuse de chlorure de sodium à une,électrolyse dans les conditions décrites ci-après
à différentes densités de courant cathodique en utilisant une cuve électrolytique sans diaphragme comprenant cinq compartiments unitaires réalisés chacun en chlorure de polyvinyle, à l'exception des électrodes, ces compartiments comportant une anode en titane enduite d'oxyde de ruthénium et une cathode en titane, toutes deux disposées horizontalement.
Les résultats obtenus sont repris dans le tableau
1 ci-après.
<EMI ID=40.1>
r
<EMI ID=41.1>
obtient de bons résultats lorsque le rapport entre la surface
HII
réelle de l'anode et la surface réelle de la cathode est d'au
i moins environ 1,5:1.
EXEMPLE 2
On soumet une solution aqueuse de chlorure de
sodium à une électrolyse à différentes températures dans les conditions suivantes en utilisant une cuve électrolytique sans j diaphragme ayant la structure représentée en figure 8 et réalisée en chlorure de polyvinyle, à l'exception des électrodes, cette cuve comportant une anode en titane enduite d'oxyde de ruthénium
et une cathode en titane. A titre de comparaison, on répète le
1 procédé décrit ci-dessus, avec cette exception que l'on porte la température de l'électrolyse à 60[deg.]C. Les résultats obtenus sont repris dans le tableau 2 ci-après.
<EMI ID=42.1>
D'après les résultats indiqués dans le tableau ?, on peut constater qu'en réglant la température de la solution
<EMI ID=43.1>
de courant qui sont efficaces pour une opération économique.
A une température supérieure à 50[deg.] C, par exemple, à une température de 60[deg.]C, le débit de courant devient d'environ 60% et l'électrolyse ne peut être effectuée économiquement.
Bien que l'invention ait été décrite en détail et en se référant à certaines de ses formes de réalisation spécifiques, l'homme de métier comprendra que diverses modifications peuvent y être apportées sans se départir de son esprit et de son cadre.
REVENDICATIONS
1. Procédé de production d'hypochlorite de
sodium, caractérisé en ce qu'il consiste à électrolyser une solution aqueuse de chlorure de sodium comme solution électro- lytique dans une cuve électrolytique sans diaphragme comprenant
au moins un compartiment unitaire, le rapport entre la surface réelle de l'anode et la surface réelle de la cathode de cette cuve électrolytique étant d'au moins environ 1,5:1 ou plus.