СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к способу электролитической обработки жидкостей, в котором содержащую реагирующие вещества жидкость, например сточные воды, из которых должны быть удалены содержащиеся в них твердые и жидкие загрязнения и/или содержащие вещества, подлежащие разложению или обеззараживанию, пропускают между двумя пластинчатыми электродами, рабочие поверхности которых расположены одна против другой, имеют противоположный заряд и между ними образована реакционная поверхность.

Широко известно применение электролиза для обработки различного рода сточных вод, содержащих твердые или жидкие включения в виде суспензии, эмульсии или раствора, при котором включения удаляют из воды в виде отдельной фазы с помощью химических веществ, полученных при электролизе, и/или флотации за счет полученных при электролизе пузырьков газа. Такой обработке могут подвергаться различные отходы, например, различные суспензии от производства целлюлозы и бумаги, нефтяные эмульсии и бытовые сточные воды.

Сточные воды часто содержат также вредные растворенные вещества, которые необходимо подвергнуть разложению для их обеззараживания. Это можно осуществить в процессе электролиза путем образования кислорода и/или хлора, которые окисляют органический материал, находящийся в воде. Одним из таких веществ является цианид, который присутствует в сточных водах после различных промышленных процессов, например металлизации и обогащения золотых и серебряных руд. Методы, обычно применяемые для разложения цианида, включают добавку к сточной воде, содержащей цианид, NaCl c последующим прохождением воды через электролитическую ячейку, где из соли образуется хлор и каустик, которые реагируют с металлцианидным соединением, образуя безвредные осадки, CО₂ и N₂. Другим вариантом является пропускание чистого электролита, содержащего NaCl, через электролитическую ячейку с последующим вводом этого электролита в резервуар, содержащий цианидные отходы, где происходит реакция разложения.

Одна из проблем в процессе электролитической очистки состоит в том, что поверхности электродных пластин используются не оптимально. В потоке между электродами вблизи каждого электрода образуется диффузионный слой, который затрудняет диффузию реагентов на рабочую поверхность и диффузию продуктов от рабочей поверхности. Кроме того, вырабатываемые при электролизе газы уменьшают рабочую поверхность электродов и эти газы должны быть быстро отведены от поверхности. В зависимости от природы сточных вод, значительную проблему также может представлять загрязнение рабочих поверхностей отложениями примесей из сточных вод.

Предпринимались попытки преодолеть эти недостатки путем перемешивания жидкости перед вводом ее в канал между пластинами. Однако при этом способе условия между электродами пластинами не регулируется в достаточной степени, особенно когда каналы являются длинными и узкими, что целесообразно для упрощения конструкции и для эффективности электролитического процесса.

Цель изобретения состоит в преодолении указанных недостатков и в разработке способа и устройства, с помощью которого условия между электродами можно регулировать таким образом, что рабочая площадь поверхностей электродов может использоваться эффективно. Изобретение позволяет удалить диффузионные слои, газовые слои и слои отложений на поверхностях электродов, которые ведут к уменьшению общей эффективности процесса.

Дополнительная цель изобретения состоит в создании практического устройства для ввода реагентов в реакционную область между электродами, причем данное устройство может применяться, например, в процессе электролитического разложения цианида.

Для достижения этих целей предлагается способ, в котором реагент вводится в область реакции отдельно от обрабатываемой жидкости, поток которой имеет направление, по существу отличное от направления рабочих поверхностей электродов. С помощью данного устройства поток реагента создает турбулентность, которая обеспечивает лучшее перемешивание компонентов внутри реакционной области, усиливая тем самым скорость различных реакций между компонентами и в то же время удаляются все слои, которые могут уменьшить скорость электролитических реакций на поверхностях.

В соответствии с преимущественным вариантом изобретения реагент вводят из точки позади, по крайней мере, одного из электродов через перфорации в электродной пластине. При использовании данного метода изобретение может быть легко внедрено в практику.

В соответствии с дополнительным преимущественным вариантом изобретения, реагент представляет собой электролит, содержащий растворенные компоненты, вступающие в реакции в реакционной зоне. При применении данного способа одновременно может использоваться изобретение при дозировке конкретных реагентов в зону реакции. В случае, когда реагент представляет собой раствор, содержащий электролиты, электропроводность жидкости может быть увеличена, если она недостаточно высока. В соответствии с этим же принципом в зону реакции для электролитического окисления цианида может вводиться хлорид натрия.

Предлагаемый способ осуществляют с помощью устройства, включающего средства для ввода реагента в зону реакции отдельно от жидкости, обрабатываемой в потоке, направление которого значительно отличается от направления рабочих поверхностей электродов.

В соответствии с преимущественным вариантом, по крайней мере, одна из электродных пластин в устройстве имеет перфорации для ввода реагента из точки позади электродной пластины в реакционную зону. Устройство этого типа может иметь необыкновенную простую конструкцию. Например, в устройстве позади перфорированной электродной пластины может устанавливаться промежуточная емкость для реагента.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство, сечение; на фиг.2 - то же, в аксонометрии; на фиг.3 - вид сверху на одну из электродных пластин; на фиг. 4 - одно из возможных расположений электродных пластин, разрез; на фиг.5 - вариант устройства в применении на стационарных резервуарах.

Как видно на фиг.1 и 2, устройство включает горизонтальное цилиндрическое тело 10, в котором установлены две продольные электродные пластины 1 и 2, проходящие в осевом направлении и служащие в качестве анода и катода соответственно. Электродные пластины отстоят одна от другой на постоянном расстоянии D и их вертикальные рабочие поверхности 1а и 2а образуют между собой реакционную зону 3, где протекают электролитические реакции и последующие реакции, связанные с продуктами электролиза.

Цилиндрический корпус 6 изготовлен из неэлектропроводящего материала, например, из пластмассы, а электродные пластины установлены между щелями 8, проходящими аксиально на внутренней стенке 6а корпуса 6, причем края электродных пластин входят в щели 8. Электродные пластины могут крепиться к корпусу любым другим приемлемым способом. Корпус 6 также может быть электропроводным, но в этом случае между пластинками и корпусом должен устанавливаться неэлектропроводный материал.

Реакционная зона 3 делится на два отсека поперечной пластиной 9 из неэлектропроводного материала, проходящей между пластинами 1 и 2 перпендикулярно к рабочим поверхностям 1а и 2а. Пластина 9 может крепиться к пластинам 1 и 2, к примеру, с помощью болтов, вставленных из точки позади электродов. Сточную воду вводят в устройство через подводящий трубопровод 11, и она проходит горизонтально в осевом направлении корпуса 6 вдоль верхней реакционной зоны 3, образованной электродными пластинами 1 и 2, поперечной пластиной 9 и внутренней поверхностью 6а корпуса 6, до тех пор, пока она не достигнет конца трубы 6, закрытого пластиной 12. Поперечная пластина 9 проходит в осевом направлении вблизи концевой пластины 12 и оставляет проход для потока сточной воды вниз в нижнюю реакционную зону 3 через проход между пластиной 12 и краем поперечной пластины 9. В этой нижней реакционной зоне сточная вода течет в обратном направлении к входному концу трубы и ее выводят через выходной трубопровод, расположенный в передней крышке, которая крепится к переднему концу трубы 6. Выходящий поток течет в направлении, указанном стрелкой F. С целью показа внутреннего устройства аппарата передняя крышка на фиг.2 не показана.

В соответствии с изобретением электродные пластины 1 и 2 имеют отверстия 5, которые образованы путем перфорирования материала пластин. На обратной стороне каждой электродной пластины 1,2, против ее рабочей поверхности, имеется пространство 7, которое ограничено задними поверхностями 1b или 2b электрода и внутренней стенкой 6а трубы. Отверстие 5 служит проходом из этого пространства 7 в реакционную зону 3. В варианте, показанном на фиг.1 и 2, эти отверстия расположены аксиально в два ряда на каждой электродной пластине таким образом, что верхний ряд отверстий создает проход к верхней реакционной зоне 3, а нижний ряд образует проход к нижней реакционной зоне 3.

При работе устройства реагент в аппарат вводят в зоны 7 через подводящие трубопроводы 13, входящие в устройство с обеих сторон корпуса 6. Зоны 7 служат в качестве промежуточных емкостей или сборников для реагента, и реагент течет через отверстия 5 в реакционную зону 3, содержащую сточную воду, и при этом создается турбулентность и обеспечивается смешение со сточной водой, текущей по трубе в осевом направлении. Диаметр отверстий 5 достаточно мал по сравнению с толщиной электродной пластины, так что при соответствующем давлении реагента он втекает в зону 3 в виде струи, вызывая эффективное перемешивание, и в тоже время она омывает поверхность противоположного электрода. Отношение диаметра отверстия к толщине пластины должно быть меньше 1,0 с тем, чтобы создавалось струйное течение среды.

На фиг.3 показана электродная пластина 1, установленная в корпусе 6 по фиг.2. Противоположная пластина 2 имеет аналогичную конструкцию. Эта пластина имеет плоскую удлиненную в прямоугольную форму с шириной 12,5 см, длиной 1 м и толщиной 5 мм. В пластине имеется два ряда круглых отверстий 5 перфорированных по двум параллельным линиям таким образом, что по длине каждой линии имеется семь отверстий, равномерно распределенных на равных расстояниях друг от друга - 13 см. Расстояние каждой линии от соседнего нижнего или верхнего края пластины составляет 4 см соответственно. Диаметр отверстий равен 2 мм. В устройстве на фиг.1 и 2 пластины расположены на расстоянии 6 см одна от другой.

На фиг. 4, представляющей собой поперечное сечение вдоль основного направления потока сточной воды, показана альтернативная возможность устройства отверстий в соответствии с изобретением. В этом варианте лишь одна из пластин имеет отверстия 5. Кроме того, продольные оси отверстий расположены под острым углом по отношению к рабочей поверхности электродной пластины, в отличие от отверстий по варианту на фиг. 1-3, где оси отверстий расположены под прямым углом к поверхности пластины. Продольные оси отверстий на фиг.4 наклонены в направлении потока сточной воды (стрелка F) с тем, чтобы свести к минимуму сопротивление потоку. Однако при таком устройстве также обеспечивается достаточное перемешивание в реакционной зоне. Угол на фиг.4 составляет около 60^o, но он может меняться в зависимости от скорости потока сточной воды и расстояния между пластинами 1 и 2.

На фиг. 5 показан вариант изобретения, который может быть применен для существующих резервуаров сточных вод, в особенности для резервуаров с цианидными стоками. Продольные электродные пластины 1 и 2 расположены вертикально на расстоянии 3-8 cм друг от друга. Цианидные стоки вводят по трубопроводу 11 и они опускаются в низ резервуара, в реакционную зону 3 между пластинами 1 и 2. В то же время из сборника 14 по трубопроводу 12 в промежуточные сборники 7 позади каждого электрода подают раствор NaCl. Эти сборники 7 могут, к примеру, быть изготовлены из пластмассы, и они крепятся к краям электродных пластин 1 и 2. Реагент течет в реакционную зону через отверстия 5, которые расположены в пластинах так же, как на фиг.3. Реагент вытекает из сборника 14 в емкости 7 под действием силы тяжести и его расход может регулироваться клапаном 15. Поступающие загрязнения быстро разлагаются между электродными пластинами, а остаточный цианид разлагается по мере того, как он перемещается с продуктами электролиза к другим частям резервуара. Чистый поток из устройства выводят по переливной трубе 16.

Помимо указанных изобретение имеет и дополнительные преимущества. При вводе реагента позади электродных пластин в промежуточную емкость он, контактируя с задней поверхностью пластин, эффективно их охлаждает, поскольку они могут перегреться при электролизе. Образующиеся при электролизе пузырьки газа хорошо выводятся с потоком сточной воды и разделение газов, жидкостей и твердых частиц может осуществляться после прохождения сточной воды через устройство на фиг.1 и 2. Сточная вода и реагент могут вводиться с помощью любых приемлемых средств, например они могут вводиться в устройство насосами и/или гравитацией. Если реагенты принимают участие в реакциях в реакционной зоне 3, то поток реагенты может одновременно использоваться для регулирования скорости реакций внутри этой зоны. Это может достигаться путем изменения объемного расхода реагента и/или концентрации содержащихся в нем компонентов.

Даже если объемный расход изменяется в течение процесса, его поток в реакционной зоне проявляет хороший перемешивающий эффект. Когда общий объемный расход реагента в устройстве с конфигурацией и размерами в соответствии с фиг.1 и 2 составляет 100 л/ч, то с помощью простого вычисления можно установить, что скорость реагента, вытекающего через отверстия, составляет около 15 см/с. Вытекающий таким образом из отверстий реагент имеет вид струи с диаметром сечения 2 мм и выхода из отверстия и диаметр этого сечения увеличивается по мере того, как это сечение отдаляется от пластины и скорость в этом сечении уменьшается. В то же время эта струя создает хорошее перемешивание материала в реакционной зоне и омывает противоположную рабочую поверхность электродной пластины. Для повышения эффективности желательно располагать пластины таким образом, чтобы каждое отверстие на каждой пластине находилось бы в области между отверстиями в противоположной пластине для того, чтобы обеспечить равномерное распределение реагента. При объемном расходе сточной воды 1000 л/ч скорость потока вдоль реакционной зоны 3 в устройстве на фиг.1 и 2 составит около 7,5 см/с. Желательно держать скорость потока сточной воды ниже скорости реагента с тем, чтобы обеспечить соответствующий перемешивающий эффект реагента. Если в устройстве на фиг. 1 и 2 общий объемный расход реагента составляет более чем 2,5% от объемного расхода сточной воды, то указанное соотношение может быть выдержано. Оптимальная область этого отношения объемных расходов составляет между 5 и 10%.

По той же причине расстояние D между электродами должно поддерживаться малым для получения благоприятных указанных результатов. Как правило, это расстояние должно находиться в области от 3 до 8 см.

Для предотвращения попадания сточной воды в зону позади электродных пластин общая площадь отверстий должна быть относительно мала с тем, чтобы обеспечить достаточное давление реагента позади электродной пластины. Отношение общей площади отверстий к площади электродной пластины составляет 0,03% в устройстве на фиг.1 и 2. Для поддержания объемного расхода реагента на достаточном уровне для достижения желательного значения расхода реагента это отношение не должно превышать 2%.

Изобретение особенно пригодно для ввода в реакционную зону реагентов, принимающих участие в окислительном электролитическом разложении цианида. Хлоридные ионы обычно добавляют к воде перед электролизом. Если хлоридные ионы вводят отдельно от сточной воды в реакционную зону, то в этой зоне при использовании, к примеру, насыщенного раствора NaCl может достигаться очень высокая концентрация окисляющих веществ. Таким образом могут обрабатываться цианидные стоки с относительно высоким содержанием цианидов.

Изобретение может иметь ряд видоизменений в зависимости от требуемого назначения. Расположение и форма отверстий может модифицироваться с целью получения оптимального результата. Реагент, вводимый в реакционную зону, может иметь различные составы. Он может содержать флоккулянты, вещества для регулирования рН и т.д. Реагент может иметь также тот же состав, что и обрабатываемая сточная вода, и в этом случае он служит просто в качестве перемешивающего и омывающего вещества. Для облегчения управления реагентом в предпочтительном варианте является жидкость, но она также может содержать растворенные газы, а также может быть полностью газообразной или паровой.

Разумеется, что средства для измерений и автоматизации этого процесса известны специалистам. Такие средства измерений могут включать датчик для измерения концентрации различных веществ, и они могут соединяться с устройствами, регулирующими параметры процесса, например объемный расход обрабатываемой сточной воды и реагента. Электрические соединения к электродам также широко известны в технике электролиза и поэтому они лишь схематично изображены на рисунках.

Электроды могут изготавливаться из любого приемлемого электродного материала в зависимости от типа процесса. Такими материалами могут быть, к примеру, сталь, нержавеющая сталь, плакированная никелем сталь, плакированный платиной титан, растворимые аноды, применяемые в процессах флоккуляции, и т.д.

Пластинчатые электроды также могут иметь форму, отличную от плоскости. Они могут быть, например, искривленными. Имеется вариант расположения двух электродов цилиндрической формы аксиально один внутри другого. В этом случае кольцевое отверстие между двумя электродами образует реакционную зону и реагент может вводиться через кольцевое пространство внутри внутреннего электрода и через отверстия в этом электроде.

Хотя главный интерес изобретения направлен на обработку сточных вод, которые часто содержат примеси, затрудняющие их электролитическую обработку, оно также может быть применено для электролитической обработки других жидкостей, где основной задачей является электролитическое получение продуктов, например, в процессах производства хлората натрия из раствора хлорида натрия.

Примеры иллюстрирует результаты эксперимента, проведенного с устройством на фиг.1 и 2.

П р и м е р 1. Сточную воду из ванны цинкования, содержащую 6,7 г/л цианида, пропускали через два устройства, расположенные последовательно и имеющие размеры как у устройства на фиг.1 и 2. Объемный расход сточной воды составлял 1000 л/ч. Реагент, представляющий собой 2,8%-ный раствор NaCl, вводили в промежуточные емкости обоих аппаратов в виде непрерывного потока, общий расход составлял 150 л/ч. Сила тока и напряжение составляли 150 А/4В. В выгруженном из выпускного конца устройства потоке происходило разделение на осветленный слой и осадок, содержащий цинк. Содержание цианида в осветленном слое составляло 1,8 г/л. В этом эксперименте электроды были изготовлены из стальных пластин.

П р и м е р 2. В устройство с двумя электродными пластинами, изготовленными из железа длиной 180 см и шириной 15 см, каждая из которых имеет 36 отверстий по 2 мм, расположенных друг от друга на одинаковом расстоянии, подавалась масляная эмульсия со сталеобрабатывающего завода, в которой концентрация масел в воде после механической предварительной сепарации составляла приблизительно 0,8%. Скорость потока была 1,8 м³/ч. Расстояние между электродами 4,0 см. Расход хлористого натрия из расчета сухого вещества 20 кг/м³ обработанной эмульсии. Ток 400 А, соответствующий 220 А ч/м³ обработанной эмульсии, напряжение было 15 В. После прохождения через устройство эмульсия быстро разделилась (примерно через 1 мин) на твердые хлопья и чистую воду, которую можно было отделить механическим путем. Остаточное количество масла в чистой воде составляло 5 мг/л.

П р и м е р 3. В устройство с двумя электродными пластинами, изготовленными из железа, имеющими длину 60 см и ширину 15 см, расположенными друг от друга на расстоянии, как указано в примере 2, и имеющими такие же размеры и плотности отверстия, пускали воду, содержащую 0,59 мг/л кадмия и 80 мг/л хрома в виде соединения CrO₃. Количество использованного NaCl cоставило 20 кг/м³ обработанной воды. Скорость потока была 20 л/ч, ток 100 А и напряжение 10 В. После первого прогона обработанную воду вновь пропускали через то же устройство, скорость потока составила 60 л/ч, ток 70 А и напряжение 10 В. Общее количество использованного тока составило 1670 Ач/м³ обработанной воды. После второго прогона образовался чистый верхний слой и осадок, одновременно исчез желтый цвет, характерный для растворов, содержащих хром. Остаточное содержание кадмия и хрома в верхнем слое было ниже 0,2 мг/л (предел обнаружения кадмия) и 0,8 мг/л cоответственно.

П р и м е р 4. В устройство с двумя противоположно заряженными электродами, имеющими размеры 60х13 cм и расположенные на расстоянии 5 см друг от друга, пускали воду с содержанием фенола 100 частей на млн. Отверстия в электродах и их расположение были как и в примере 3. Катод был сделан из титана, а анод из титана, покрытого родием. Скорость потока воды была 55 л/ч. Расход NaCl из расчета сухого вещества составлял приблизительно 10 кг/м³ обработанной воды. Ток был 40 А, соответствующий 720 Ач/м³ обработанной воды. Напряжение 4,7 В. Остаточное содержание фенола было ниже 10 частей на млн. (верхний предел для определения в анализе).

При другом прогоне устройство было такое же, как описано выше. Вода содержала 396 частей на млн. фенола, скорость протока составила 27 л/ч, расход NaCl 6,6 галлона/л. Ток и напряжение были 60 А и 5,5 В соответственно. Остаточное содержание фенола после этого пропона было ниже 10 частей на млн.

При третьем прогоне параметры были те же, что и при первом, за исключением того, что в воде содержалось 10 частей на млн. 2,4,6-трихлорфенола вместо фенола и скорость потока была 45 л/ч. Остаточное содержание загрязненной составило 0,009 частей на млн. в обработанной воде.

Способ и устройство для электролитической обработки жидкостей, в котором жидкость, содержащую реагенты, твердые или жидкие вещества, которые должны быть выделены из воды, и/или вещества, которые должны разлагаться или обезвреживаться, пропускают между двумя пластинчатыми электродами противоположного заряда с рабочими поверхностями, расположенными одна против другой и образующими между собой реакционную зону. Среда вводится в реакционную зону отдельно от обрабатываемой жидкости в потоке, направление которого существенно отличается от направления рабочих поверхностей электродов, через отверстия, перфорированные в электродных пластинах. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ электрохимической обработки жидкости, загрязненной твердыми и жидкими веществами, включающий пропускание ее между разноименными пластинчатыми электродами, отличающийся тем, что обработку ведут с использованием перфорированных электродов в присутствии электролита, подаваемого отдельным потоком через отверстия по крайней мере одного из электродов в межэлектродное пространство под углом к рабочей поверхности электрода. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита используют раствор хлорида натрия. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку жидкости, содержащей цианиды, ведут в присутствии раствора хлорида натрия. 4. Устройство для электрохимической обработки жидкости, загрязненной твердыми и жидкими веществами, содержащее корпус с пластинчатыми электродами, установленными в пазах корпуса, патрубки ввода и вывода жидкости, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит патрубок ввода электролита, корпус выполнен цилиндрическим, а электроды - перфорированными, установленными аксиально, пространство между корпусом и электродами соединено с патрубком ввода электролита, а патрубки ввода и вывода жидкости размещены в межэлектродном пространстве. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды расположены параллельно.