Verfahren und Kit zur Herstellung von Chlordioxid im Gemisch mit Sauerstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Chlordioxid und ein Kit zur Herstellung von Chlordioxid aus gebrauchsfertig konfektionierten Reagenzien.
Chlordioxid ist das technisch bedeutendste Chloroxid und wird vorwiegend zum Bleichen, Desinfizieren und Desodorieren eingesetzt, es ist jedoch schwer handhabbar, da das gasförmige CI02 aus Lösungen leicht entweicht und ab einem Partialdampf- druck von 100 mbar (20 °C) explosiv ist.
Bereits aus der DE 195 29 504 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung wässriger Chlordioxid-Lösungen durch Oxidation von Chlorit mit Oxosäuren und/oder Oxosäure- Anionen geeigneten Redoxpotentials in einem gepufferten wässrigen Medium bekannt. Dabei wird eine oxosäurehaltige Lösung mit einem pH-Wert kleinergleich 5 mit einer wässrigen Chlorit-Lösung in einem pH-Wert-gepufferten System gemischt. Zur Pufferung werden bevorzugt umwelttechnisch sehr problematische Phosphatpuffer verwendet. Die beschriebene Verwendung von Phosphorsäure als pH-Regulator erfolgt in einer Konzentration von ca. 8 g H3P04/l, was nach heutigen Vorstellungen zu viel ist. Das Verfahren soll in Rührkesseln oder Strömungsrohren durchgeführt werden, wobei die Ausgangsstoffe Natriumhypochlorit und Phosphorsäure nur in flüssiger Form erhältlich sind. Das Verfahren ist für den Einsatz im Kleinmaßstab mit einfach handhabbaren Mitteln dadurch ungeeignet. Die mit dem Verfahren gemäß der Beispiele hergestellte Chlordioxidlösung ist hypochlorithaltig, was die Vorteile des
Chlordioxids zunichte macht. Ferner weist das Verfahren den gravierenden Nachteil auf, dass sich bei der angegebenen Verfahrensweise und unter den angegebenen Bedingungen Chlorate bilden, beispielsweise bei der Zusammenführung von Hypochloritlösung mit Phosphorsäure. Wie von D'Ans, J. und Freund, H.E.Z., Elektro- chem. Ber. Bunsenges. physik. ehem. 61 10 (1957) experimentell mit großer Genauigkeit bestätigt, führt die gleichzeitige Anwesenheit von Hypochloritionen und freier hypochloriger Säure bei pH 6,2 bis 7 zu Chloraten. Daher enthalten sowohl die mit Phosphorsäure angesäuerten hypochlorigen/Hypochlorit-Ausgangslösungen als auch die hypochlorige Säure/hypochlorithaltige Chlordioxid-Zubereitung Chlorat, was jedoch vermieden werden sollte. Auch bei der Oxidation von Chlorit mittels Peroxomonosulfat - wie alternativ erwähnt - werden Chlorate gebildet wie in der Literatur beschrieben:
HSO" 5 + CI02- HSO" 4 + CICr3
Die DE 195 18 464 beschreibt Formlinge zur Herstellung von Chlordioxid durch Folgereaktionen, bei denen Chlorid zunächst mittels Peroxomonosulfat zu Chlor und weiter Chlorit durch das entstandene Chlor zu Chlordioxid oxidiert werden. In der DE 195 184 64 werden kompatible basische Zusätze, wie Natriumhydrogencarbonat, Natriumcarbonatdekahydrat und Dinatriumhydrogenphosphatdodekahydrat (siehe Spalte 2, Zeile 18, 19) verwendet. Die Angabe des sauren Bestandteils "Metalhydro- gensulfat" mit 15 % Gehalt (siehe Spalte 2, Zeile 22) beruht darauf, dass man den prozentualen Gehalt des Caroat an Kaliumhydrogensulfat umgerechnet angegeben hat. Dies bedeutet, dass man kein Natriumhydrogensulfat zusätzlich zugegeben hat. Stöchiometrisch neutralisieren nach der Lehre der DE 195 184 64 die oben genannten basischen Bestandteile das Kaliumhydrogensulfat des Caroats, so dass der pH- Wert der Reaktionslösung um etwa im neutralen Bereich liegt. Bei pH 7 würde das Anfangs-Konzentrationsverhältnis des Chlorits zur chlorigen Säure 100.000:1 betragen. Peroxomonoschwefelsäure ist jedoch nur im sauren Bereich stabil und disproportioniert sonst zu Schwefelsäure und Sauerstoff, der pH-Wert sollte daher während des gesamten Verfahrens, besonders aber zu Beginn des Verfahrens, bezüglich der peroxomonoschwefelsauren Komponenten im sauren Bereich bleiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach und sicher handhabbares Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Chlordioxid bei Bedarf frisch hergestellt werden kann.
Die Umsetzung sollte mit kurzer Reaktionszeit bei geringer Temperatur, d.h. nicht zwingend wesentlich über Raumtemperatur, erfolgen können. Die Bildung von Chlor und Chloraten soll vermieden werden. Das Verfahren soll auch im kleinen Maßstab mit einfachen Mitteln handhabbar sein, um beispielsweise für private Schwimmbäder oder im Bereich der Trinkwasserdesinfektion im Kleinsmaßstab geeignet zu sein.
Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens zur Herstellung von Chlordioxid im Gemisch mit Sauerstoff durch Reaktion von Chlorit mit Peroxomonosulfat in Gegenwart eines Redoxinitiators in saurer wässriger Lösung. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weiterhin ist zur Lösung der Aufgabe ein Kit zur Herstellung von Chlordioxid im Gemisch mit Sauerstoff vorgesehen, insbesondere für die Wasserbehandlung, welches gebrauchsfertige Lösungen und/oder trockene Zusammensetzungen aufweist, wobei eine gebrauchsfertige Lösung oder trockene Zusammensetzung wenigstens ein Chlorit enthält und eine zweite gebrauchsfertige Lösung oder trockene Zusammensetzung wenigstens ein Peroxomonosulfat im Gemisch mit einem Redoxinitiator, wie vorzugsweise Peroxodisulfat und/oder Oxalsäure, enthält. Weitere Ausgestaltungen des Kits sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung stellt damit ein Verfahren zur Verfügung, mit dem sich Chlordioxid nach einer Reaktionszeit von weniger als 30 Minuten in saurer wässriger Lösung bei einer Temperatur bereits unter Raumtemperatur (bei ab 10 °C in unter 30 Minuten) praktisch quantitativ herstellen lässt.
Das Verfahren nutzt die Umsetzung von Chlorit mit Peroxomonosulfat (auch als Ca- roat, Salz der Caro'schen Säure bezeichnet) nach folgender Reaktionsgleichung
4 HSOy + 4 CI02- → 4 S04 2" + 4 CI02 + 2 H20 + 02 (I)
im sauren Medium und im Beisein eines Redoxinitiators. Unerwünschte konkurrie-
rende Nebenreaktionen werden unterdrückt.
Sowohl die Kombinationen Peroxomonosulfat/Peroxodisulfat als auch Peroxomono- sulfat/Oxalsäure beschleunigen die Initiierung der radikalischen Redoxreaktionen mit Chlorit: s2o8 2- + HS05- S04 2" + -so4- + ΗS05
HS05 + H2C204 HS05- + «COOH + C02 + H+
Die entstehenden Radikale das Sulfat-Radikal-Anion, das Peroxomonosuϊfat-Radikal- Anion und das Carboxyl-Radikal beschleunigen die Chlordioxidbildung. Am ende der Reaktion werden sie vollständig zu Sulfat bzw. Hydrogensulfat und Kohlendioxid umgesetzt.
Durch geeignete stöchiometrische Abstimmung, d.h. Wahl der Konzentration aller Ausgangsstoffe können die Höchstwerte an allen Stoffen/Liter nach der Anwendung in dem zu behandelnden Wasser gemäß der geltenden Trinkwasserverordnung sicher unterschritten bzw. eingehalten werden. Alle in dem Verfahren eingesetzten Ausgangsstoffe können in Form von Pulver, Tabletten und/oder Lösungen benutzt werden.
Das Verfahren läuft bereits ohne Hydrogensulfat und auch ohne Chlorid in befriedigenden Ausbeuten ab, sowohl der Einsatz von Chlorid als auch von Hydrogensulfat ist jedoch bevorzugt. Der Einsatz der Katalysatoren (H+ und CI ) ist besonders von Vorteil, wenn die Reaktion bei Raumtemperatur vorgenommen werden soll.
Der Zusatz von Chlorid beschleunigt den katalytischen Zerfall des Zwischenprodukts Wasserstoffperoxid unter Bildung von Singulett-Sauerstoff 102 und Wasser und unterbindet die Bildung von Chloraten.
Der Einsatz von Alkalihalogeniden erwies sich als besonders vorteilhaft, da sie die Wasserstoffperoxid-Zersetzung katalysieren. Das Zwischenprodukt Wasserstoffperoxid zersetzt sich dabei in Sauerstoff und Wasser und kann nicht mehr mit dem Hauptreaktionsprodukt Chlordioxid reagieren, was zu einer quantitativen Umsetzung und zu einer konstanten Konzentration von Chlordioxid führt.
Der Zusatz von Hydrogensulfat erhöht die Oxidationswirkung von Peroxomonosulfat exponentiell, da das Einzelpotential des Redoxpaares gemäß Nemst'scher Gleichung größer wird:
HSGV + 2H+ + 2e" → HS04 " + H20 (II)
E = 1 ,8 + 0,06 Ig [HSQ5] [H*]2 2 [HS04] [H20] (III)
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach Chlordioxid im Gemisch mit Sauerstoff durch Reaktion von Chlorit mit Peroxomonosulfat (Edukte) in saurer wässriger Lösung im Beisein eines Redoxinitiators dargestellt, wobei Hydrogensulfat und/oder Chlorid zugesetzt werden können.
Als Chlorit wird vorzugsweise Natriumchlorit verwendet, es können jedoch ggf. andere Chlorite oder Mischungen daraus verwendet werden.
Als Peroxomonosulfat wird vorzugsweise Kaliumperoxomonosulfat verwendet. Insbesondere kann ein unter dem Namen Caroat gebräuchliches Kaliumperoxomono- sulfat-Tripelsalz (Degussa) eingesetzt werden.
Als Zusätze mit katalytischer Eigenschaft werden Hydrogensulfat und Chlorid verwendet, vorzugsweise Natriumhydrogensulfat und Natriumchlorid. Das Verfahren sollte bei einem pH-Wert zwischen 1 ,5 und 3,5 durchgeführt werden. Der pH-Wert wird vorzugsweise mit Hilfe des Hydrogensulfats eingestellt
Das Verfahren kann bei einer beliebigen Temperatur zwischen Raumtemperatur und Siedepunkt des Wassers durchgeführt werden, wobei eine Erhöhung der Temperatur zu kürzeren Reaktionszeiten führt, das entstehende CI02 jedoch aus der erwärmten Lösung auch leichter entweichen kann. Vorzugsweise wird das Verfahren bei Temperaturen ab 10 °C, bei Raumtemperatur oder um ca. 30 bis 45 °C durchgeführt. Die Erwärmung kann entweder vor dem Reaktionsbeginn (Erwärmung der Eduktlösun- gen) oder während der Reaktion (nach Zugabe der nicht erwärmten Eduktlösungen) erfolgen. Wenn die Reagenzien in warmem Wasser gelöst werden und keine weitere Wärme im Laufe der Reaktion zugeführt wird, kann die Wasseranfangstemperatur
vorteilhafterweise ca. 75 bis 95 °C betragen. Besonders bevorzugt ist die Durchführung des Verfahrens bei unveränderter Wassertemperatur des zu behandelnden Wassers, wenn diese bei 10 bis 50 °C liegt.
Das hier beschriebene Verfahren arbeitet erfindungsgemäß im sauren Milieu, wobei der pH-Wert vorzugsweise ca. 2 beträgt, um sowohl die Oxidationswirkung von Peroxomonosulfat zu erhöhen (siehe Gl. III), als auch die Erhöhung der Konzentration der chlorigen Säure zu erzielen. Das Anfangs-Konzentrationsver-hältnis des Chlorits zu der chlorigen Säure (Pka=2) beträgt vorzugsweise um 1 :1. Die chlorige Säure lässt sich bekanntlich leichter als ihre konjugierte Base (Chlorit) zu Chlordioxid oxi- dieren. Dadurch lässt sich die Konkurenzreaktion - die Chlorbildung - weitgehend ausschalten, wie die kinetischen Messungen zeigen, dass dabei kein Chlor bestimmbar ist. Aus diesem Grund kann der pH-Wert erst nach dem Ablauf der Reaktion durch Zugabe von Basen (siehe Beispiel 5) erhöht werden.
Um die aus dem Verfahren erhaltenen Chlordioxid-Lösungen stabil zu halten, wird in Weiterbildung der Erfindung ein Stabilisatorsystem zur Stabilisierung des pH-Wertes zwischen ca.3, 5 und 6,8 zugesetzt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um wenigstens einen der folgenden Stoffe:
Borat, insbesondere Perborat, Fluorid, Percarbonat, basisches Magnesiumcarbonat oder eine Mischung aus wenigstens zwei dieser Stoffe.
Gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verfahren weist das erfindungsgemäße Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Die gleichzeitige Erzeugung von Sauerstoff (Gleichung I) verdünnt das entstehende Chlordioxid ohne dessen Wirkung zu beeinträchtigen. Bei dem Verfahren entstehen weder Chlor noch Chlorate, und es tritt auch keine Chlohtrückbildung (durch Reduktion von Chlordioxid zu Chlorit) ein. Das Verfahren ermöglicht erstmals eine praktisch vollständige Umsetzung der Edukte zu Chlordioxid; bei geeigneter Wahl der stöchiomet schen Verhältnisse sind am Ende der Reaktion weder Chlorit noch Peroxide nachweisbar.
Sehr vorteilhaft ist auch, dass keine katalysierenden Schwermetallsalze verwendet werden, die wegen ihrer Toxizität, Korrosivität, Bildung von schwerlöslichen Ablagerungen mit bestimmten Anionen oder zersetzenden Wirkung auf Reaktionspartner als
nachteilig angesehen werden müssen.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass getrennte Lösungen der Edukte hergestellt und danach zusammengeführt werden, wobei die Reaktion eintritt. Dabei enthält eine erste Lösung ein Chlorit, vorzugsweise Natriumchlorit, und ein Chlorid, vorzugsweise Natriumchlorid. Eine zweite Lösung enthält ein Peroxomonosulfat (Ca- roat), vorzugsweise Kaliumperoxomonosulfat, den Redoxinitiator, wie oben beschrieben, und gegebenenfalls ein Hydrogensulfat, mit dem der gewünschte pH-Wert zwischen 1 ,5 bis 3,5 und in jedem Falle unter 5 genauer eingestellt werden kann, vorzugsweise Natriumhydrogensulfat. Die Lösungen werden dann zusammengegeben, vermengt und ggf. erwärmt. Dabei können die zusammengegebenen Lösungen erwärmt werden, oder die bereitgestellten Einzellösungen können erwärmt bzw. mit warmem oder heißem Wasser hergestellt und anschließend zusammengegeben werden. Die Zusammengegebenen Lösungen können zur besseren Vermischung, geschüttelt oder gerührt werden.
Die gleichzeitige Bildung des Sauerstoffs trägt zur Verdünnung der Chlordioxidkonzentration in der Gasphase bei.
Gasförmiges Chlordioxid ist ab einer Konzentration von 300 mg/l bzw. 10 Vol.% explosiv. Der entwichene Sauerstoff verdünnt das gasförmige Chlordioxid, so dass es gefahrloser, besonders in geschlossenen Systemen, z.B. Reaktoren, Vorratsbehältern, zu handhaben ist. Bei diesem Verfahren wird ca. die 10-fache Menge an Sau- ertoff produziert, als sie der Löslichkeit des Sauerstoffs in Wasser entspricht (ca. 0,04 g/l). Die Gasphase (über der Chlordioxidlösung im geschlossenen System) setzt sich hier aus ca. 20 % Sauerstoff und 80 % Chlordioxid zusammen.
Es wurde weiterhin festgestellt, dass Chlordioxidlösungen, die bei Temperaturen oberhalb 30 °C hergestellt wurden, noch bessere Stabilitäten bzw. längere Haltbarkeit aufwiesen.
Folgende Ausführungsformen werden als besonders vorteilhaft angesehen:
- Chlorit, Chlorid, Caroat, Hydrogensulfat und Peroxodisulfat werden in Wasser ge-
geben und die Lösung wird erwärmt. Alternativ können die Reagenzien auch in warmes bis heißes Wasser gegeben und anschließend nur noch vermengt oder geschüttelt werden.
- Chlorit und Chlorid werden in einer ersten Lösung in Wasser gelöst, Caroat und Hydrogensulfat werden in einer zweiten Lösung in Wasser gelöst, die beiden Lösungen werden zusammengegeben und erwärmt. Zusätzlich wird der zweiten Lösung ein Peroxodisulfat zugegeben.
- Chlorit und Chlorid werden in Wasser gelöst, Caroat, Peroxodisulfat oder Oxalsäure und Hydrogensulfat werden trocken zusammen verpresst, der Pressung oder die Tablette werden in die Lösung gegeben, welche erwärmt und ggf. gerührt wird.
Die Erfindung umfasst weiterhin Kits, bei denen das Verfahren mit Hilfe gebrauchsfertig vorkonfektionierter Lösungen durchgeführt werden kann.
Der erfindungsgemäße Kit zur Herstellung von Chlordioxid im Gemisch mit Sauerstoff umfasst gebrauchsfertige Lösungen und/oder trockene Zusammensetzungen, wobei eine gebrauchsfertige Lösung oder trockene Zusammensetzung wenigstens ein Chlorit enthält und eine zweite gebrauchsfertige Lösung oder trockene Zusammensetzung wenigstens ein Peroxomonosulfat und ein Peroxodisulfat oder Oxalsäure enthält.
Die chlorithaltige Lösung oder trockene Zusammensetzung kann zusätzlich Chlorid und die andere Hydrogensulfat enthalten. Die Peroxomonosulfat enthaltende Lösung oder trockene Zusammensetzung kann zusätzlich Peroxodisulfat und/oder Hydrogensulfat enthalten.
Der pH-Wert der gebrauchsfertigen Lösungen liegt für die reduzierende chlorithaltige Lösung vorzugsweise zwischen 9 und 12,5 und für die oxidierende peroxomonosul- fathaltige Lösung zwischen 1 ,7 und 3,5. Das molare Verhältnis des korrespondierenden Säure-Base-Paars (HS047S04 2") der oxidierenden Lösung ist vorzugsweise 1 - 3. Der pH-Wert der reduzierenden Chloritlösung ist vorzugsweise 11. Die pH- Einstellung erfolgt vorzugsweise mit Hydroxiden bzw. Carbonaten der Alkali- bzw.
Erdalkalien. Nach dem Ablauf der Reaktion kann der pH-Wert der Chlordioxid- Fertiglösung durch Zugabe von Zubereitungen aus Alkalicarbonaten, Erdalkalicarbo- naten oder Alkaliphosphaten in flüssiger Form, Pulver oder Tabletten-Form vorzugsweise auf pH 5,0 - 6,5 erhöht werden.
Innerhalb des Kits liegen die gebrauchsfertigen Lösungen in dafür geeigneten Behältnissen vor und werden bei Bedarf, zur Durchführung des Verfahrens, in einem Mischbehälter gemischt. Als Mischbehälter kann einer der Lösungsbehälter vorgesehen sein, in den die andere Lösung zugegeben wird. Die Volumina der Behälter sind entsprechend zu wählen. Die Kits lassen sich außerdem sehr gut in Anlagen für die kontinuierliche oder periodische Herstellung von Chlordioxid einsetzen. Dies ist ohne besondere Anpassung der Anlagen möglich.
Es können auch trockene Zubereitungen eingesetzt werden, so dass der Kit entweder wenigstens zwei trockene Zubereitungen enthält, die für die Durchführung des Verfahrens gemeinsam in Wasser gelöst werden, oder eine trockene Zubereitung und eine gebrauchsfertige Lösung. Bevorzugt ist derzeit die Verwendung einer Lösung aus Natriumchlorit und Natriumchlorid in Wasser in Verbindung mit einem Pressung aus Caroat und Kaliumhydrogensulfat.
Die trockenen Zubereitungen können als Presslinge bzw. Tabletten oder als portionsweise verpacktes Granulat oder Pulver vorliegen.
Im folgenden werden praktische Beispiele zu der Erfindung angegeben:
1. Beispiel
1 ,47 g Natriumchlorit (80%ig) und 0,37 g Natriumchlorid werden in 250 ml Wasser gelöst. Ein Gemisch aus 4,25 g Caroat und 1 ,16 g Kaliumhydrogensulfat wird als Tablette gepresst. Die Tablette wird in die Lösung gegeben und 60 Min. bei 35 °C erwärmt. Die Chlordioxidkonzentration beträgt 3 g/Liter.
2. Beispiel
1 ,76 g Natriumchlorit (80%ig) und 5,28 g Natriumchlorid werden in 500 ml Wasser gelöst. 5,1 g Caroat, 3,04 g Natriumhydrogensulfat und 0,2 g Natriumperoxodisulfat werden ebenfalls in 500 ml Wasser gelöst. Beide Lösungen werden entweder auf 45 °C erwärmt und dann zusammengefügt oder bei Raumtemperatur zusammengefügt und dann bei 45 °C 30 Minuten erwärmt. Die Konzentration des Chlordioxids in dieser Lösung beträgt 1 g CI02/Liter.
3. Beispiel
In 2 Liter warmes Wasser 75 °C werden 3,52 g Natriumchlorit (80%ig), 6,36 g Natriumchlorid, 9,6 g Caroat, 4 g Natriumhydrogensulfat und 0,33 g Natriumperoxodisulfat gegeben. Das Reaktionsgemisch wird nach 5 Min. geschüttelt. Die Chlordioxidkonzentration beträgt 1 g/Liter.
4. Beispiel
0,9 g Natriumchlorit (80%ig), 1 ,2 g Natriumchlorid, 2,4 g Caroat, 1 ,0 g Natriumhydrogensulfat und 0,08 g Natriumperoxodisulfat werden in 1 Liter heißes Wasser von 95 °C zugegeben. Die Reaktion läuft bereits nach 2 Min. vollständig ab. Die Chlordioxidkonzentration beträgt 0,5 g/Liter.
5. Beispiel
1 ,28 g Natriumchlorit (80%ig), 0,37 g Natriumchlorid, 4,25 g Caroat und 1 ,11 g Natriumhydrogensulfat werden in 250 ml Wasser zugegeben und 30 Minuten bei 35 °C erwärmt. Anschließend werden 1 ,2 g basisches Magnesiumcarbonat zugegeben. Der pH-Wert der Lösung beträgt 6,2. Die Chlordioxidkonzentration beträgt 3 g Chlordioxid/Liter.
ML