ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯТОР Российский патент 1998 года по МПК C02F1/463 

Изобретение относится к области оборудования для электрокоагуляционной очистки воды от солей жесткости и других примесей с использованием анодов, подвергающихся электрохимическому растворению. Использование электрокоагуляторов позволяет исключить склады реагентов Al₂(SO₄)₃•18H₂O и FeCl₃•6H₂O, традиционно используемых для коагуляционной очистки воды, т.к. весовая доля активного компонента Al³⁺ и Fe³⁺ составляет 16%, а балластная часть коагулянта при электролитическом получении Al³⁺ и Fe³⁺ отсутствует. Дозирование электрокоагулянта осуществляется регулированием напряжения в зависимости от расхода и состава воды и легко поддается автоматизации.

Однако электрокоагуляция не получила широкого применения в промышленности из-за следующих недостатков:
высокого расхода электроэнергии до 12 кВт-ч/м³ вследствие трудности отрыва ионов металла с поверхности электрода, пассивации электродов, больших межэлектродных зазоров, недостаточно развитой поверхности плоских электродов;
ненадежности контакта электродов с токоподводящими фидерами из-за растворения и пассивации места контакта.

Целью изобретения является создание конструкции электрокоагулятора, обеспечивающей комплексное решение проблем, связанных с высоким расходом электроэнергии, пассивацией электродов, ненадежностью контакта и др.

Указанная цель достигается тем, что в электрокоагуляторе, включающем корпус с плоскопараллельными профилированными электродами, дистанционными прокладками из изолирующего материала, положительным и отрицательным фидерами, к которым подключены электроды и штуцера входа и выхода обрабатываемого раствора, размещенные под нижним и над верхним торцами электродов, дистанционные прокладки между анодными и катодными электродами выполнены сплошными параллельно всей поверхности электродов с зазорами относительно электродов и с открытыми проходами для обрабатываемого раствора со стороны нижнего и верхнего торцов. Металл растворяется на аноде и мигрирует к катоду, вызывая катодную поляризацию и пассивацию. Одновременно на катоде образуются ионы гидроксида OH^-, которые, мигрируя к аноду, разряжаются до кислорода, блокирующего растворяющуюся поверхность. Скорость растворения снижается, примерно, в 64 раза. Установка сплошных перемычек исключает межэлектродную миграцию ионов OH^- и ионов металла, а также миграцию побочных продуктов реакции, что резко снижает энергетические потери. Целевой продукт - ионы металла уносятся потоком воды и становятся коагулянтом. Ионы OH^- также уносятся потоком воды, поступающим в открытые проходы торцов электродов. Причем ионы OH^- не разряжаются до кислорода, а участвуют в щелочном связывании солей жесткости в осадок. Профилирование поверхности электродов обеспечивается системой отбортованных "рваных" отверстий в виде двояковыпуклой терки, причем отбортовка создает равномерные зазоры между электродами и прокладками. Конфигурация электродов в виде двояковыпуклой терки может быть получена также соединением, например склепыванием, двух электродов из алюминия и железа, имеющих перфорацию с односторонней отбортовкой.

Дело в том, что энергия удаления отдельного структурного элемента кристаллической решетки зависит от места, которое он занимает на поверхности кристалла. Наименее прочно связаны структурные элементы, расположенные в углах кристалла, где каждый из них окружен только тремя ближайшими элементами. Перевод такого структурного элемента решетки металла в раствор облегчается еще и потому, что к нему может подойти наибольшее число молекул воды, поскольку три его стороны обращены к жидкой фазе. Намного прочнее связи элементов, расположенных на плоскости, которые связаны пятью ближайшими элементами. Предлагаемая конструкция электродов с "рваными" отбортованными отверстиями создает максимум углов и ребер, резко снижающих энергетические потери для отрыва ионов металла при растворении.

Конструкция двояковыпуклой терки обеспечивает минимальные межэлектродные зазоры, т.к. листы, усиленные отбортовкой, жесткие, а сплошные прокладки исключают касание листов и короткое замыкание.

Исполнение электрода комбинированным позволяет решить ряд проблем:
комплексный ион (Al³⁺ + Fe³⁺) обеспечивает в сочетание с солями жесткости более высокие сорбирующие свойства, чем одиночные ионы Al³⁺ или Fe³⁺, так как является двойным коллектором и способен связывать не только соли жесткости, но и соли тяжелых металлов, органику и др.;
склепывание листов Al и Fe позволяет избежать сложностей комбинирования и чередования электродов, неизбежно возникающих при переполюсовке;
уменьшается концентрация вредных в медицинском отношении ионов остаточного Al, т.к. часть их замещается железом, а другая часть нейтрализуется железом и другими примесями в комплексном соединении;
исключается цветность раствора, неизбежно возникающая при использовании одиночного Fe, т.к. снижается его концентрация и активное железо связывается в нейтральное соединение. Надежный контакт электродов с фидерами обеспечивается грузовым замыканием контактов под собственным весом электродов при их свободной подвеске на фидере. Это соединение проще и надежнее, чем пружинное, т.к. не стоит вопрос о выборе металла для пружины.

Питание электродов постоянным током целесообразно вести при нестабильном колеблющемся напряжении, например, с использованием однополупериодного выпрямителя. Это позволит активировать растворение электродов путем отклонения Фладе-потенциала в отрицательную сторону. Фладе-потенциал характеризует критическую точку начала пассивации электрода.

При использовании серийных выпрямителей, собранных по двуполупериодной схеме и снабженных стабилизаторами напряжения, малейшее отклонение от Фладе-потенциала в положительную сторону жестко фиксируется, ток резко падает, электрокоагулятор работает в неэффективном режиме, т.к. скорость растворения электродов резко замедляется. Однополупериодный выпрямитель дает непрерывное колебание напряжения, переводя Фладе-потенциал в отрицательную сторону, что ускоряет растворение электродов.

На фиг. 1 представлен предлагаемый аппарат в продольном разрезе; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1; на фиг. 3 - вариант исполнения электрода по фиг. 2; на фиг. 4 - вид А на фиг. 2.

Электрокоагулятор 1 включает корпус 2 с крышками 3 и 4, комплектом профилированных электродов 5 с дистанционными прокладками 6 из изолирующего материала, положительным и отрицательным фидерами 8 и 9, к которым подключены электроды 5 и штуцера входа 10 и выхода 11 обрабатываемого раствора. Дистанционные прокладки 6 между анодным и катодным электродами выполнены сплошными параллельно всей поверхности электродов 5 с зазорами относительно электродов и с открытыми проходами для обрабатываемого раствора со стороны нижнего и верхнего торцов. Для исключения пробоев на корпус установлены изолирующие обкладки 7 и втулки 12, 13, 14. Профилирование поверхности электродов обеспечивается системой отбортованных рваных отверстий 15 и 16 в виде двояковыпуклой терки (фиг. 2). Конфигурация электродов в виде двояковыпуклой терки может быть получена соединением, например, с помощью заклепок 17 двух электродов 18 и 19, имеющих перфорацию 20 и 21 с односторонней отбортовкой. Надежный контакт электродов 5 с фидерами 8 и 9 обеспечивается грузовым замыканием контактов под собственным весом электродов при их свободной подвеске на фидере.

Электрокоагулятор работает следующим образом.

На фидеры 8 и 9 и пакет электродов 5 подается от однополупериодного выпрямителя (не показан) нестабильное колеблющееся напряжение. Через штуцер 10 в аппарат подают воду, подлежащую умягчению. Проходя через электродную зону, вода насыщается комплексными ионами (Fe³⁺ + Al³⁺) с анода и подщелачивается гидроксидом OH^-, транспортируемым потоком воды от катода. При этом карбонат переходит в форму HCO₃, которая при контакте с солями жесткости образует микрокристаллы CaCO₃. Комплексный коагулянт укрупняет кристаллы, одновременно сорбируя соли тяжелых металлов и другие примеси.

Межэлектродная миграция ионов металла и ионов OH^- отсутствует из-за сплошных дистанционных прокладок. Ток минимальный, расход электроэнергии составляет 0,2 кВт-ч/м³ вместо традиционных 12 кВт-ч/м³. Этому способствует также форма поверхности электродов, составленная из многочисленных углов и ребер - рваные отбортованные отверстия двояковыпуклой терки. Цвет воды - в соответствии с ГОСТ на питьевую воду. Содержание Al в пределах 0,05 - 0,3 мг/л, поскольку Al связывается железом и солями жесткости. На фидере 8, 9 электроды 5 зажаты между дистанционными втулками 12 и 13 резьбовой втулкой 14. При растворении зоны отверстия электрода у фидера электрод под собственным весом опускается, обеспечивая надежный контакт. Традиционные нижние ограничители у электродов отсутствуют: электроды свободно подвешены на фидере, обеспечивая грузовое замыкание контактов.

Конструкция выпрямителя принята предельно простой - однополупериодной вместо традиционной двухполупериодной со стабилизаторами. Это обеспечивает периодический возврат напряжения в отрицательную зону от Фладе-потенциала, что является условием активного растворения электродов.

Конструкция электрода по фиг. 2 предпочтительна при наличии мощного штампового хозяйства, т. к. пробивка и отбортовка отверстий в толстых листах возможны только при этом условии. Толстых - поскольку реже будет производиться замена электродов. При индивидуальном и мелкосерийном производстве более предпочтительна конструкция по фиг. 3, где применен более тонкий лист и возможны ручная перфорация и отбортовка.

Использование: электрокоагуляционная очистка воды от солей жесткости и других примесей. Сущность изобретения: электрокоагулятор содержит корпус с нижним днищем и верхней крышкой, плоскопараллельные перфорированные и профилированные электроды, при этом профилирование выполнено в виде двусторонней отбортовки отверстий, и размещенные между электродами дистанционные сплошные прокладки, установленные по всей длине электродов параллельно им и на расстоянии от них. Электроды выполнены в виде соединенных между собой алюминиевого и железного электродов, каждый из которых снабжен односторонней отбортовкой. Электроды свободно закреплены на токоподводах и подключены к источнику постоянного тока через однополупериодный выпрямитель. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электрокоагулятор, содержащий корпус с плоскопараллельными разнополярными электродами, размещенными между ними дистанционными прокладками из изолирующего материала, положительный и отрицательный токоподводы, штуцера ввода и вывода воды, отличающийся тем, что корпус снабжен нижним днищем и верхней крышкой, электроды выполнены перфорированными и профилированными, при этом профилирование выполнено в виде двусторонней отбортовки отверстий, дистанционные прокладки выполнены сплошными и установлены по всей длине электродов, параллельно им и на расстоянии от них, электроды и прокладки размещены на расстоянии от штуцеров ввода и вывода воды, расположенных в корпусе соответственно под нижними и над верхними торцами электродов. 2. Электрокоагулятор по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены в виде соединенных между собой алюминиевого и железного электродов, каждый из которых снабжен односторонней отбортовкой отверстий. 3. Электрокоагулятор по п.2, отличающийся тем, что соединение алюминиевого и железного электродов выполнено в виде клепки. 4. Электрокоагулятор по п.1, отличающийся тем, что электроды свободно закреплены на токоподводах. 5. Электрокоагулятор по п.1, отличающийся тем, что электроды подключены к источнику постоянного тока через однополупериодный выпрямитель.