УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 1999 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды или водных растворов с целью регулирования ее кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности и может быть использовано в процессах очистки воды, ее обеззараживания вплоть до получения питьевой, а также для получения моющих и дезинфицирующих растворов.

В прикладной электрохимии для регулирования свойств обработанных растворов используются электролизеры с разделенными электродными пространствами различных конструкций.

Так, например, известно устройство для электрохимической обработки воды, состоящее из цилиндрического электролизера с коаксиально расположенными в диэлектрических втулках электродами и диафрагмой между ними, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры [1]. Каждая камера имеет отдельный вход в нижней и отдельный вывод в верхней втулках электролизера, сообщающихся с подводящими и отводящими гидравлическими линиями для протока воды под давлением. Отмечено, что в процессе эксплуатации данного устройства возможно получение электрохимически обработанной воды с бактерицидными свойствами.

Недостатком известного решения являются большие энергопотери при обработке воды и водных растворов, кроме того устройство не обеспечивает стабильность характеристик получаемых растворов при малой минерализации исходной воды.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство для электрохимической обработки воды, содержащее как минимум одну ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов, выполненных из нерастворимых при электролизе материалов и установленных в диэлектрических втулках, и разделенных ультрафильтрационной диафрагмой из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия, также установленной во втулках, причем размеры ячейки отвечают определенному соотношению, обеспечивающему наиболее оптимальный гидравлический режим и использование тока [2]. Устройство содержит средства для гидравлического и электрического соединения нескольких ячеек с целью обеспечения требуемой производительности, причем ячейки соединены параллельно гидравлически, а электрически они могут быть соединены параллельно, последовательно или параллельно-последовательно. Устройство также содержит приспособление для дозирования в обрабатываемую воду реагента - хлорида натрия, выполненное в виде водоструйного насоса, а также приспособление для регулирования расхода обрабатываемой воды. Кроме того устройство предусматривает соединение цилиндрического электрода с положительным полюсом источника тока, стержневого электрода - с отрицательным, и обработку воды или раствора параллельными потоками в электродных камерах, или подачу всего объема обрабатываемого раствора в анодную камеру (камеру цилиндрического электрода) с последующим перетоком раствора в камеру противоэлектрода. В результате обработки в известном устройстве растворы могут быть использованы в качестве дезинфицирующих (анолит) и моющих (католит) растворов. Основными характеристиками обрабатываемых растворов является pH и окислительно-восстановительный потенциал.

Устройство обеспечивает легкое соединение требуемого числа ячеек для обеспечения необходимой производительности, а также стабильную работу при низкой минерализации исходных растворов.

Недостатками устройства являются относительно высокие энергозатраты на обработку, сравнительно узкий спектр характеристик получаемых растворов, так как регулировка процессом осуществляется либо за счет изменения протока раствора через камеры либо изменением расхода электричества, напряжения, плотности тока, что не всегда может быть реализовано в полном объеме, так как снижение протока при высоких плотностях тока приводит к перегреву раствора, его вскипанию и, как следствие, к ухудшению параметров обработанного раствора. Кроме того устройства сравнительно сложно в эксплуатации.

Целью изобретения является снижение энергозатрат при обеспечении производительности 40 - 100 л/час, расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения спектра характеристик получаемых растворов, упрощение эксплуатации устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов, содержит четыре электрохимических ячейки, выполненных из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов, установленных в диэлектрических втулках, ультрафильтрационной диафрагмы из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов иттрия и алюминия, разделяющих межэлектродное пространство на электродные камеры, причем ввод обрабатываемой воды расположен в нижних частях камер, а вывод - в верхних. Цилиндрические электроды выполнены из титана с платиновым покрытием, стержневые - из титана с электрокаталитическим покрытием из платины, иридия и диоксида рутения, и устройство содержит источник тока, положительный полюс которого соединен со стержневыми, а отрицательный - с цилиндрическими электродами ячеек.

Устройство содержит линии подвода обрабатываемой воды и линии отвода обработанной воды, а также приспособление для дозирования в обрабатываемую воду раствора хлорида натрия, установленное на линии подвода воды и выполненное в виде водоструйного насоса, соединенного с емкостью солевого раствора, установленное на линии подвода после регулятора расхода и перед подачей раствора в электродные камеры ячеек.

Ячейки гидравлически соединены параллельно а электрически - попарно соединены параллельно, а две пары - последовательно.

Линия подачи обрабатываемой воды соединена с камерами цилиндрических электродов ячеек, линия отвода из камер цилиндрических электродов соединена со входами камер стержневых электродов ячеек, линия отвода обработанной воды соединена с выходом камер стержневого электрода, и устройство дополнительно содержит приспособление для отвода части дегазированного раствора, установленное на линии отвода из камер цилиндрических электродов, а также емкость для накопления обработанной воды.

Приспособление для отвода части дегазированного раствора выполнено в виде емкости с тангенциальным вводом и выводом в нижней ее части.

Для упрощения эксплуатации устройство содержит блок управления, соединенный с источником питания и датчик контроля производительности, совмещенный с регулятором расхода, датчик контроля уровня солевого раствора и датчик контроля уровня обработанной воды, размещенной в емкости для накопления обработанной воды, причем датчики соединены с блоком управления.

Такое выполнение устройства позволяет обеспечит фиксированную производительность на уровне 40 - 100 л/ч а также расширить спектр получаемых растворов по характеристикам за счет обеспечения возможности отвода части дегазированного католита. При этом отводится не более половины обрабатываемого раствора, что исключает возникновение непроточного режима в камерах, перегрева раствора и нарушения режима обработки.

Соединение стержневого электрода с положительным полюсом, а цилиндрического электрода с отрицательным полюсами источника в сочетании с предложенной последовательностью протока обрабатываемого раствора сначала в катодную камеру с перетоком в анодную позволяет за счет изменения по сравнению с прототипом полярности электродов и неоднородности поля в межэлектродном зазоре коаксиальных электродов интенсифицировать процессы в анодной камере за счет более высокой напряженности поля, и при обработке растворов с одинаковой концентрацией хлорида снизить расход энергии на получение растворов с одинаковыми характеристиками. Кроме того, введение в анодную камеру раствора, обработанного в катодной и содержащего электролитический водород, позволяет снизить расход соли, т.е. при обработке растворов с меньшей концентрацией характеристики растворов сохраняются на прежнем уровне при том же или даже меньшем расходе электроэнергии.

Известно в прикладной электрохимии применение последовательного прохождения раствора сначала в катодную, а затем в анодную камеры [3].

Однако в известном решении такая последовательность обработки направлена на изменение исходных свойств раствора - удаление растворенных примесей, главным образом ионов металлов, в результате значительного повышения pH, превышающего величину гидратообразования этих металлов. Последующая обработка в анодной камере служит, в основном, для снижения pH, и дополнительной очистки, в частности, анодным окислением, т.е. опять же на изменение исходного состава за счет очистки.

В предложенном решении данная последовательность применения для интенсификации окислительно-восстановительных реакций в растворе с участием продуктов электродных реакций и направлена на целенаправленное изменение свойств обрабатываемой воды без изменения ее состава и без снижения солесодержания но придания ей бактерицидных свойств за счет активных компонентов, образованных в процессе обработки.

Известно также в практике очистки воды электрохимическими методами введение электролитического водорода в обрабатываемую воду [4].

Однако в известном решении этот прием также применяется для изменения исходного состава обрабатываемой воды, в частности восстановления контролируемой примеси - шестивалентного хрома - что приводит к снижению расхода энергии на процесс очистки.

В предложенном решении ведение водорода в анодную камеру направлено на регулирование процессов окисления-восстановления в объеме раствора с участием продуктов электродных реакций, что приводит к изменению свойств анолита и расширению функциональных возможностей устройства.

Кроме того, применение указанных электродных материалов позволяет интенсифицировать процесс обработки, в полном объеме использовать возможности обработки в неоднородном электрическом поле и соответственно снизить расход энергии. На это же направлена и электрическая схема подключения ячеек с учетом их конкретного числа и материалов электродов. В общем по сравнению с прототипом за счет указанных отличий расход энергии на процесс снижается на величину 8-11%.

Применение автоматизированного блока управления, соединенного с датчиками и источником питания, позволяет облегчить эксплуатацию установки, исключить расход энергии до выхода установки на заданную производительность, контролировать введение раствора хлорида, что поддерживает стабильность параметров обрабатываемого раствора и нарабатывает необходимое контролируемое количество раствора, что также приводит к дополнительному снижению расхода электроэнергии на эксплуатацию установки.

Предложенная установка схематично изображена на фиг. 1, на фиг. 2 показана блок-схема управления установкой, на фиг. 3 - электрическая схема соединения ячеек.

Установка содержит источник воды 1, реакторный блок состоящий из четырех электрохимических ячеек 2, разделенных керамической диафрагмой 3 на анодную 4 и катодную 5 камеры, причем ячейки соединены параллельно гидравлически и параллельно-последовательно электрически, насос расходомер 6, приспособление для дозирования раствора хлорида натрия 7 из емкости раствора хлорида натрия 8, приспособление для отвода части дозированного каолита 9, емкость для анолита 10, блок управления и источник питания 11 и датчик расхода 12 уровня раствора хлорида натрия 13 и уровня анолита 14.

Установка работает следующим образом. Включением насоса расходомера 6 из источника 1 вода подается в установку, при этом в воду из емкости 8 приспособлением 7 подается раствор хлорида натрия. Концентрация хлорида в обрабатываемой воде находится на уровне 0,1 - 2 г/л. После заполнения системы и достижения требуемого расхода - 40 - 100 л/ч - блок управления подает напряжение на электроды. Обработка водного раствора происходит за счет его однократного протока через электродные камеры ячеек. Весь объем обрабатываемого раствора поступает в катодную камеру 5 ячеек 2, после выхода из которых он подается на приспособление для отвода части католита, при этом весь электролизный газ, выделившийся в катодной камере, остается в системе и поступает в анодные камеры ячеек 2. Из анодных камер обработанный раствор поступает в емкость для анолита 10. При достижении требуемого анолита блок управления снимает напряжение с электродов ячеек и выключает насос. При полном срабатывании раствора хлорида натрия также происходит прекращение процесса обработки.

В процессе обработки количество отбираемого католита регулируется отдельно, но это количество не превышает половины объема, подаваемого на обработку.

Пример. Для обработки воды использовалась установка, содержащая четыре электрохимических ячейки с коаксиальными электродами, установленными в диэлектрических втулках. Во втулках же установлена ультрафильтрационная диафрагма из керамики на основе оксида циркония, содержащая 3 вес.% оксида иттрия и 27 вес.% оксида алюминия (оксид циркония - остальное). В качестве катода использовался платинированный титан, причем толщина платинового слоя составляла 1 микрон, а в качестве анодного материала - титан с электрокаталитическим покрытием из платины, иридия и диоксида рутения, причем соотношение (Pt+Ir):RuO(2)=1:3, а соотношение Pt:Ir=1:1.

Обработке подвергалась вода из городской системы водоснабжения. Концентрация хлорида натрия в воде с помощью приспособления 7 - водоструйного насоса, поддерживалась на уровне 0,5 г/л. Водный раствор поступал в катодные, а затем в анодные камеры ячеек 2 при расходе тока 1000 Кл/л. Обработка велась в трех режимах:
- без отбора католита, т.е. весь раствор последовательно обрабатывался в катодной, а затем в анодной камерах. Полученный анолит имел pH 7-8, т.е. нейтральные значения, а значения окислительно-восстановительного потенциала составляли плюс 980-1000 мВ относительно хлорсеребрянного электрода сравнения.

- с отводом части дегазированного католита в пределах 5-10% об от общего количества обрабатываемого раствора. Был получен анолит pH 5-7 (слабокислый) а окислительно-восстановительный потенциал составил плюс 800-900 мВ, и щелочной католит с pH 10-11 и окислительно-восстановительным потенциалом минус 500 - 800 мВ.

- с отводом половины дегазированного католита. Полученный анолит имел pH меньше 5 (кислый) и окислительно-восстановительный потенциал плюс 1200 - 1300 мВ. Католит имел pH 9-10 и окислительно-восстановительный потенциал минус 400 - 600 мВ.

Сравнение представленных данных с прототипом показывает, что по прототипу невозможно получить анолит с нейтральными pH, кроме того все растворы, полученные по предложенному решению имели более высокие значения окислительно-восстановительного потенциала, что свидетельствует об интенсивности процесса и о снижении расхода энергии на достижение одинакового результата. Кроме того следует отметить, что эксплуатационные затраты на получение одинакового количества раствора меньше на величину порядка 5% за счет автоматизации работы установки.

Применение предложенного решения позволяет расширить спектр характеристик получаемых продуктов и снизить расход электроэнергии на процесс обработки.

Источники информации:
1. Заявка Японии 1-104387, C 02 F 1/46, 1989.

2. Заявка PCT/ WO 93/20014, C 02 F 1/46, 14.10.93.

3. Авторское свидетельство СССР N 865829, C 02 F 1/46, 1980.

4. Авторское свидетельство СССР N 893884, C 02 F 1/46, 1981.

Использование: в процессах очистки воды, ее обеззараживания вплоть до получения питьевой, а также для получения моющих и дезинфицирующих растворов. Сущность изобретения: устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов содержит четыре электрохимические ячейки, выполненные из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов, установленных в диэлектрических втулках, ультрафильтрацонной диафрагмы из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов иттрия и алюминия, разделяющей межэлетродное пространство на электродные камеры, причем ввод обрабатываемой воды расположен в нижних частях камер, а вывод - в верхних. Цилиндрические электроды выполнены из титана с платиновым покрытием, стержневые - из титана с электрокаталитическим покрытием из платины, иридия и диоксида рутения. Устройство содержит источник тока, положительный полюс которого соединен со стержневым, а отрицательный - с цилиндрическими электродами ячеек. Устройство содержит линии подвода обрабатываемой воды и линии отвода обработанной воды, а также приспособление для дозирования в обрабатываемую воду раствора хлорида натрия, установленное на линии подвода воды и выполненное в виде водоструйного насоса, соединенного с емкостью солевого раствора, установленное на линии подвода после регулятора расхода и перед подачей раствора в электродные камеры ячеек. Ячейки гидравлически соединены параллельно, а электрически - попарно соединены параллельно, а две пары - последовательно. Линия подачи обрабатываемой воды соединена с камерами цилиндрических электродов ячеек, линия отвода из камер цилиндрических электродов соединена с входам камер стержневых электродов ячеек, линия отвода обработанной воды соединена с выходом камер стержневого электрода и устройство дополнительно содержит приспособление для отвода части дегазированного раствора, установленное на линии отвода из камер цилиндрических электродов, а также емкость для накопления обработанной воды. Устройство содержит блок управления, соединенный с источником питания, и датчик контроля производительности, совмещенный с регулятором расхода, датчик контроля уровня солевого раствора, размещенный в емкости для солевого раствора и датчик контроля уровня обработанной воды, размещенный в емкости для накопления обработанной воды, причем датчики соединены с блоком управления. Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат при обеспечении производительности 40-100 л/ч, расширение функциональных возможностей устройства за счет расширения спектра характеристик получаемых растворов, упрощение эксплуатации устройства. 2 з. п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов, содержащее более чем одну электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов из нерастворимых при электролизе материалов, установленных в диэлектрических втулках, ультрафильтрационной диафрагмы из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов иттрия и алюминия, разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры, причем ввод обрабатываемой воды расположен в нижних частях камер, а вывод - в верхних, источник тока, полюса которого соединены с электродами ячейки, линии подвода обрабатываемой воды и линии отвода обработанной воды, приспособление для дозирования в обрабатываемую воду раствора хлорида натрия, установленное на линии подвода воды и выполненное в виде водоструйного насоса, соединенного с емкостью солевого раствора, регулятор расхода, установленный на линии подвода, и ячейки гидравлически соединены параллельно, а электрически - параллельно-последовательно, отличающееся тем, что установка содержит четыре ячейки, которые попарно соединены электрически параллельно, а две пары - последовательно, цилиндрический электрод выполнен из титана с активным платиновым покрытием и соединен с отрицательным полюсом источника тока, стержневой электрод выполнен из титана с электрокаталитическим покрытием из платины, иридия и диоксида рутения
и соединен с положительным полюсом источника тока, регулятор расхода установлен на линии подвода перед приспособлением для дозирования раствора хлорида натрия, линия подачи обрабатываемой воды соединена с камерами цилиндрических электродов ячеек, линия отвода из камер цилиндрических электродов соединена с входами камер стержневых электродов ячеек, линия отвода обработанной воды соединена с выходом камер стержневого электрода и устройство дополнительно содержит приспособление для отвода части дегазированного раствора, установленное на линии отвода из камер цилиндрических электродов, емкость для накопления обработанной воды, а также блок управления, соединенный с источником питания, и датчик контроля производительности, совмещенный с регулятором расхода, датчик контроля уровня солевого раствора, размещенный в емкости для солевого раствора, и датчик контроля уровня обработанной воды, размещенный в емкости для накопления обработанной воды, причем датчики соединены с блоком управления. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размер пор диафрагмы составляет 0,1-0,01 мкм. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что приспособление для отвода части дегазированного раствора выполнено в виде емкости с тангенциальным вводом в верхней ее части и выводами в боковой и нижней частях.