МНОГОСЕКЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОР Российский патент 1999 года по МПК B01D61/46 C02F1/469 

Изобретение относится к области электрохимической очистки воды преимущественно для нужд радиотехнической, электронной, пищевой промышленности и медицины, в частности, к конструкциям устройств электродиализного типа для глубокого обессоливания воды.

Известен электродиализатор для очистки воды, содержащий размещенные между электродами катионоселективные и анионоселективные мембраны, образующие камеры деминерализации и концентрации (см. Гребенюк В.Д. Электродиализ, Киев: Техника, 1976 г., с. 22). Однако такой электродиализатор не обладает высокой производительностью и не позволяет эффективно проводить глубокое обессоливание воды.

Известен выбранный за прототип многосекционный электродиализатор для очистки воды, содержащий делящие его на секции пары электродов, между которыми размещены разноименные ионоселективные мембраны и рамки, образующие камеры деминерализации и концентрации, стяжное устройство с прижимными плитами, патрубки для ввода и вывода воды (см. А.с. СССР N 1436309, МПК 5 В 01 D 61/50, 1986 г.). Однако, такой электродиализатор не надежен в эксплуатации, так как в нем из-за скопления газов возможно образование воздушного затвора, высокое напряжение создает опасность электрического пробоя, а наличие солей жесткости в исходной воде более 0,3 - 0,4 мг экв/л быстро выводит его из строя из-за зарастания мембран в камерах концентрации.

Техническим результатом при использовании предлагаемого многосекционного электродиализатора является повышение надежности его работы при любом количестве солей жесткости в исходной воде, а также удобство в эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в многосекционном электродиализаторе, содержащем размещенные между электродами катионоселективные и анионоселективные мембраны и прокладки, образующие камеры деминерализации и концентрации и электродные камеры, и снабженном патрубками ввода и вывода воды, электроды, мембраны и прокладки соединены в образующую внутреннюю полость замкнутую систему с четным количеством попеременно подключенных к разным полюсам источника питания электродов, и установлены в корпусе, снабженном патрубком для вывода концентрата, а катионоселективные и анионоселективные мембраны соединены по внутреннему, образующему камеру деминерализации краю, внешнему и торцевым образующим камеры концентрации, краям, а также по периметру электродных камер. Частным случаем выполнения многосекционного электродиализатора может быть наличие ионоселективных смол в камерах деминерализации, что способствует более глубокой очистке воды. При этом электроды, мембраны и прокладки могут быть соединены в замкнутую систему посредством закрепления в диэлектрических втулках, расположенных в концах внутренней полости электродиализатора, сложены спиралеобразно и размещены в цилиндрическом корпусе, а электродные камеры снабжены отверстиями для вывода газов.

Предложенную конструкцию отличает компактность формы, простота и удобство в обслуживании, при этом наличие большого количества секций, ограниченных с двух сторон электродами, позволяет уменьшить рабочее напряжение в несколько раз (в зависимости от количества секций). Четное количество электродов необходимо для создания рабочего напряжения во всех секциях электродиализатора. Надежное разделение потоков очищенной воды и концентрата обеспечивается тем, что катионоселективные и анионоселективные мембраны соединены по внутреннему, образующему камеру деминерализации, краю и внешнему и торцевым, образующим камеры концентрации, краям. Таким образом, несмотря на подачу исходной воды в корпус при отсутствии направленного ее поступления в камеры деминерализации, не происходит смешения потоков очищенной воды и концентрата.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена внутренняя компоновка изделия, стрелками показано направление движения исходной воды; на фиг. 2 - разрез по А-А вида сверху, стрелками показано движение очищаемой воды и в центре - выход деминерализованной воды; на фиг. 3 - разрез по В-В вида сверху, стрелками показано движение очищаемой воды и в центре - выход концентрата.

Многосекционный электродиализатор содержит размещенные в корпусе 1, снабженном патрубками для ввода 2 и вывода 3 воды и патрубком для вывода концентрата 4, электроды 5 и 6 и разделенные прокладками катионоселективные 7 и анионоселективные 8 мембраны, образующие камеры деминерализации 9, концентрации 10 и электродные камеры 11. Электроды, мембраны и прокладки соединены в замкнутую систему, образующую внутреннюю полость, в концах которой расположены верхняя и нижняя диэлектрические втулки 12 и 13 соответственно, в которых закреплены мембраны 7 и 8. При этом патрубки для ввода исходной воды 2 и вывода концентрата 4 размещены на нижней торцевой стенке корпуса 1, а патрубок для вывода деминерализованной воды 3 и изолированные токовводы 14 - на верхней торцевой стенке корпуса. Мембраны в соседних секциях электродиализатора расположены в зеркальном отражении по отношению к электродам, так, например, ближайшей к катоду 6 является анионоселективная мембрана 8, затем разделенные прокладками расположены катионоселективная 7 и анионоселективная 8 мембраны, затем анод 5, являющийся началом следующей секции и далее набор мембран в обратном порядке. Такая конструкция обеспечивает скапливание разноименных ионов в отдельных камерах концентрации 10, что предотвращает образование нерастворимых солей и их осаждение на мембранах.

Наличие ближайшей к электроду мембраны вызвано необходимостью защиты электрода от воздействия проникающих в камеры концентрации ионов солей, поэтому с этой целью могут быть использованы другие материалы, препятствующие прохождению ионов, например, обратноосмотические мембраны.

Наиболее удобной для размещения замкнутой системы является цилиндрическая форма, поэтому корпус выполнен цилиндрическим, а для увеличения компактности и уменьшения габаритов все внутренние элементы сложены спиралеобразно.

Устройство работает следующим образом. При поступлении исходной воды в корпус 1 и подаче напряжения на электроды 5 и 6 происходит одновременное постепенное заполнение водой камер деминерализации 9, и под воздействием электрического поля - миграция находящихся в воде в диссоциированном состоянии ионов через соответствующие мембраны в камеры концентрации 10. Причем в камерах концентрации, расположенных вблизи катода, накапливаются катиониты, а в камерах концентрации вблизи анода - аниониты, которые по мере накопления выводятся через открытую боковую часть камеры концентрации в нижнюю диэлектрическую втулку 13 и патрубок для вывода концентрата 4. По мере заполнения исходной водой корпуса 1 происходит дальнейшая очистка, и деминерализованная вода выводится через верхнюю диэлектрическую втулку 12 и расположенный на верхней торцевой стенке корпуса патрубок 3 к потребителю. Для улучшения качества очистки камеры деминерализации 9 могут быть заполнены ионоселективными смолами, на которых происходит дополнительное связывание диссоциированных ионов.

В настоящее время разработана конструкция многосекционного электродиализатора для очистки воды производительностью 50 л/ч. В качестве материала электрода использовалась угольная ткань марки ТНГ-2М, к которой прикреплялся заключенный в надежную диэлектрическую оболочку металлический проводник, подсоединенный к соответствующей клемме источника питания; мембраны применялись катионоселективные марки - МК-40, анионоселективные - марки МА-40; между мембранами, образующими камеры концентрации помещались прокладки в виде мелкой капроновой сетки, между мембранами, образующими камеры деминерализации, - прокладки из капроновой сетки толщиной 1,2 мм.

Мембраны, образующие электродные камеры, проклеивались герметично по периметру; путем прокалывания мембран были образованы отверстия диаметром 1-1,5 мм для вывода газов из электродных камер.

Мембраны, образующие камеры концентрации, проклеивались по краям, которые впоследствии размещались со стороны торцевых и боковой стенок корпуса электродиализатора. Для удобства сборки возможно также проклеивание верхней части этих мембран со стороны внутренней полости, при этом нижняя часть остается открытой, закрепляется в диэлектрической втулке и обеспечивает вывод концентрата.

Мембраны, образующие камеры деминерализации, проклеены со стороны внутренней полости электродиализатора, при этом верхняя их часть остается открытой, закреплена в верхней диэлектрической втулке и служит для вывода очищенной воды. Для оптимизации пути прохождения воды через камеры деминерализации возможно проклеивание мембран со стороны верхней и нижней торцевых стенок корпуса электродиализатора.

В электродиализаторах с небольшими габаритами для уменьшения операций проклейки при сборке электродной камеры возможен перегиб цельного листа мембраны вдоль внешней стороны электрода. В этом случае камеры концентрации можно образовывать последующими наложениями с таким же перегибом цельных листов мелкой капроновой сетки и разноименной мембраны с дальнейшей проклейкой оставшихся краев.

Собранные таким образом электроды, мембраны и прокладки сворачивались спиралеобразно и помещались в цилиндрический корпус высотой 550 мм и диаметром 125 мм. Во время работы на электроды подавалось напряжение 8 В, потребляемый ток был 2,9 А, при этом очистка водопроводной воды с жесткостью 3,7 мг экв/л проводилась до остаточной жесткости менее 0,1 мг экв/л.

Предложенная конструкция многосекционного электродиализатора позволяет очищать воду любой жесткости, так как разноименные ионы накапливаются в разных камерах концентрации, это препятствует образованию нерастворимых солей и осаждению их на мембранах. В ней полностью отсутствуют металлические детали, что исключает возможность короткого замыкания устройства и выхода его из строя из-за коррозии материала. В предложенном электродиализаторе отсутствуют отверстия для перетекания воды, поэтому не требуется точная подгонка деталей, а также отсутствуют наиболее трудоемкие операции механической обработки.

Изобретение относится к области электрохимической очистки воды преимущественно для нужд радиотехнической, электронной, пищевой промышленности и медицины, в частности к конструкциям устройств электродиализного типа для глубокого обессоливания воды. В многосекционном электродиализаторе размещенные между электродами катионо- и анионоселективные мембраны и прокладки образуют замкнутую систему с четным количеством попеременно подключенных к разным полюсам источника питания электродов. При этом конструкция обеспечивает сбор разноименных ионов солей в разных камерах концентрации, что предотвращает образование нерастворимых солей и их осаждение на мембранах. Техническим результатом является повышение надежности в работе многосекционного электродиализатора при любом количестве солей жесткости в исходной воде, а также удобство в эксплуатации. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Многосекционный электродиализатор, содержащий размещенные между электродами катионо- и анионоселективные мембраны и прокладки, образующие камеры деминерализации и концентрации и электродные камеры, и снабженный патрубками ввода и вывода воды, отличающийся тем, что электроды, мембраны и прокладки соединены в образующую внутреннюю полость замкнутую систему с четным количеством попеременно подключенных к разным полюсам источника питания электродов и установлены в корпусе, снабженном патрубком для вывода концентрата, а катионо- и анионоселективные мембраны соединены по внутреннему образующему камеру деминерализации краю, внешнему и торцевым образующим камеры концентрации краям, а также по периметру электродных камер. 2. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что камеры деминерализации заполнены ионоселективными смолами. 3. Электродиализатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что электроды, мембраны и прокладки соединены в замкнутую систему посредством закрепления в диэлектрических втулках, расположенных на концах внутренней полости электродиализатора. 4. Электродиализатор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что электроды, мембраны и прокладки сложены спиралеобразно и размещены в цилиндрическом корпусе. 5. Электродиализатор по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что электродные камеры снабжены отверстиями для вывода газов.