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

Изобретение относится к сфере электрохимической обработки воды и водных растворов солей с целью изменения ее окислительных и восстановительных свойств.

Известны способ и устройство для электрохимической обработки воды (патент Великобритании N 2253860). По этому способу вода подается снизу вверх через рабочую камеру диафрагменного электролизера в зазор между электродом и диафрагмой с одновременным протоком воды через вспомогательную камеру электролизера также снизу вверх в зазор между диафрагмой и электродом. Изменение окислительных и восстановительных свойств воды происходит при протекании электрического тока между электродами через воду в обеих камерах и пористую диафрагму, разделяющую эти камеры, причем давление воды в рабочей камере превышает атмосферное, а ее минерализация составляет не более 1%. При этом кислотность воды изменяется с pH 7 до 2-6, если в качестве рабочей камеры используется анодная. Если рабочей камерой является катодная, то щелочность воды изменяется с pH 7 до 7,5-12. Недостатком известного способа является то, что по этому способу нет возможности получать анодно обработанную воду с pH выше 7, например, для снижения коррозионной активности последней. Однократный проток слабоминерализованной воды через рабочую камеру приводит к тому, что только незначительная часть растворенных солей переходит в продукты электрохимических реакций.

Устройство, защищенное указанным британским патентом, представляет собой проточный диафрагменный электролизер, анодная и катодная камеры которого разделены полупроницаемой диафрагмой. Обе камеры снабжены раздельными входными и выходными патрубками, причем одна из камер является рабочей, а вторая - вспомогательной. Рабочая камера подсоединена к трубопроводу обрабатываемой воды, а вспомогательная снабжена циркуляционным контуром, образованным трубопроводами, соединяющими входной и выходной патрубки вспомогательной камеры, с газоразделительной емкостью, установленной выше электролизера.

Недостатком известного устройства является неполное использование солей, растворенных в воде, подаваемой в рабочую камеру. Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ и устройство, описанные в патенте Российской Федерации N2110483. Недостатком известного технического решения является то, что получаемая в нем вода с окислительными свойствами имеет pH только в кислом диапазоне (ниже 7,0), что придает ей высокую коррозионную активность. Высокоминерализованная вода подается в анодную камеру с помощью насоса под избыточным давлением, что снижает надежность работы устройства. Недостаточно полно используются и растворенные в воде соли, так как для их более полного использования необходимо осуществлять принудительную циркуляцию анолита, а это технически затруднительно.

Решаемой задачей заявляемого изобретения является снижение коррозионной активности воды с окислительными свойствами за счет повышения величины ее pH, максимально полное использование химических реагентов (солей), растворенных в воде.

Заявляемый способ электрохимической обработки воды, характеризуется тем, что высокоминерализованную воду с растворенными в ней реагентами (солями), концентрация которых составляет от 2 и до 35%, подают в рабочую камеру, являющуюся анодной проточного диафрагменного электролизера, а во вспомогательную камеру, являющуюся катодной, подают слабоминерализованную воду с концентрацией растворенных солей до 0,2%, причем между анодом и катодом через воду в обеих камерах и пористую диафрагму, разделяющую эти камеры, протекает электрический ток. В отличие от известного изобретения в заявляемом способе во вспомогательной камере поддерживают давление ниже атмосферного (0,02-0,09 мПа), под действием этого разрежения католит вместе с водородом, образовавшимся в катодной камере в процессе электролиза, отсасывают из последней, смешивают с слабоминерализованной водой, не прошедшей электрохимическую обработку и получают воду с восстановительными свойствами (щелочную воду), а электролизные газы, образующиеся в анодной камере, удаляют из последней и растворяют в указанной щелочной воде (во всем ее объеме или только в его части).

Заявляемое устройство, содержащее по крайней мере один проточный диафрагменный электролизер, состоящий из анодной и катодной камер, разделенных пористой диафрагмой и снабженных отдельными входными и выходными патрубками, циркуляционный контур, образованный трубопроводом, соединяющим выходной и входной патрубки анодной камеры, и соединенный трубопроводом с всасывающим патрубком водоструйного насоса, служащего для получения воды с окислительными свойствами, характеризующееся тем, что входной патрубок анодной камеры связан трубопроводом с емкостью для хранения высокоминерализованной воды, циркуляционный контур связан с атмосферой через трубопровод с обратным клапаном, входной патрубок катодной камеры соединен трубопроводом, снабженным регулятором расхода, с трубопроводом слабоминерализованной воды, а выходной патрубок катодной камеры - со всасывающим патрубком водоструйного насоса, служащего для получения воды с восстановительными свойствами, причем входной патрубок последнего соединен трубопроводом с трубопроводом слабоминерализованной воды, а выходной патрубок - с емкостью для хранения воды с восстановительными свойствами, последняя связана со всасывающим патрубком центробежного насоса подачи щелочной воды, выходной патрубок которого соединен трубопроводом с входным патрубком водоструйного насоса, служащего для получения воды с окислительными свойствами, а выходной патрубок последнего связан с емкостью для хранения воды с окислительными свойствами. При этом центробежный насос может быть снабжен байпасным трубопроводом с регулятором расхода.

Заявляемое техническое решение изображено на чертеже. Оно состоит из анодной камеры 1, образованной анодом 2 и полупроницаемой диафрагмой 3, катодной камеры 4, образованной катодом 5 и диафрагмой 3. Оно также содержит входные 6 и 7, выходные 8 и 9 патрубки анодной и катодной камер, соответственно. Входной патрубок 6 анодной камеры соединен трубопроводом 10 с емкостью высокоминерализованной воды 11. Выходной патрубок 8 анодной камеры 1 соединен с входным патрубком 6 трубопроводом 12, образующим циркуляционный контур анодной камеры. Кроме того, выходной патрубок 8 анодной камеры соединен трубопроводом 13 со всасывающим патрубком 14 водоструйного насоса, служащего для получения воды с окислительными свойствами. Трубопровод 13 связан с атмосферой через трубопровод 15 с обратным клапаном 16. Входной патрубок 7 катодной камеры 4 соединен трубопроводом 17, содержащим регулятор расхода 18, с трубопроводом слабоминерализованной воды 19. Выходной патрубок 9 катодной камеры соединен трубопроводом 20 со всасывающим патрубком 21 водоструйного насоса, служащего для получения воды с восстановительными свойствами (щелочной воды). Входной патрубок 22 этого водоструйного насоса соединен трубопроводом 23 с трубопроводом слабоминерализованной воды 19, а выходной патрубок 24 связан трубопроводом 25 с емкостью щелочной воды 26. Емкость 26 соединена в нижней своей части со всасывающим патрубком 27 центробежного насоса 28. Выходной патрубок 29 последнего связан посредством трубопровода 30 с входным патрубком 31 водоструйного насоса получения воды с окислительными свойствами. Выходной патрубок 29 центробежного насоса 28 может быть соединен байпасным трубопроводом 32, содержащим регулятор расхода воды 33, с емкостью щелочной воды 26. Выходной патрубок 34 водоструйного насоса, служащего для получения воды с окислительными свойствами, связан с помощью трубопровода 35 с емкостью 36.

Заявляемое техническое решение работает следующим образом. Емкость 11 заполняют высокоминерализованной водой (2-35% раствором хлорида натрия) так, чтобы ее уровень был равен или выше выходного патрубка 8 анодной камеры 1 электролизера. Высокоминерализованная вода из емкости 11 по трубопроводу 10 через входной патрубок 6 заполняет анодную камеру 1 и ее циркуляционный контур, образованный входным 6 и выходным 8 патрубками и трубопроводом 12. Слабоминерализованная вода подается под давлением 0,2-0,7 мПа в трубопровод 19, из которого она по трубопроводу 17 через регулятор расхода 18 и входной патрубок 7 подается в катодную камеру 4 электролизера. Одновременно слабоминерализованная вода по трубопроводу 23 подается во входной патрубок водоструйного насоса получения воды с окислительными свойствами, который создает разрежение в катодной камере 4. От источника постоянного тока (на чертеже не показан) на анод 2 и катод 5 подается напряжение. Между анодом 2 и катодом 5 через воду, заполнившую анодную 1 и катодную 4 камеры и пористую диафрагму 3, замыкается электрическая цепь и возникает электрический ток. Под действием электрического тока происходит электрохимическая обработка воды с растворенными в ней солями (электролиз). Под действием электролиза слабоминерализованная вода, поступающая в катодную камеру 4, приобретает восстановительные свойства (значение pH 10-12, окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) (- 500)-(-700) мВ. Катодно обработанная вода (католит) вместе с водородом, образующимся на катоде в процессе электролиза, отсасываются из катодной камеры 4 через выходной патрубок 9, трубопровод 20 и всасывающий патрубок 21 в упомянутый водоструйный насос, в котором смешиваются с слабоминерализованной водой и через выходной патрубок 24 поступают по трубопроводу в емкость 26. В результате в емкости 26 накапливается вода с восстановительными свойствами (ОВП - 400-600 мВ по шкале хлорсеребряного электрода сравнения) и щелочным значением pH (9-11). В анодной камере 1 на аноде 2 в процессе электролиза раствора хлорида натрия выделяются хлор и кислород. Пузырьки газов поднимаются в верхнюю часть анодной камеры 1 и через выходной патрубок 8 выходят из электролизера и поступают в трубопровод 13. Под действием указанного движения пузырьков электролизных газов в нижней части анодной камеры 1 создается разрежение (явление газлифта), под действием которого происходит циркуляция анодно обработанной воды (анолита) по циркуляционному контуру, образованному анодной камерой 1, выходным патрубком 8, трубопроводом 12 и входным патрубком 6. За счет включения центробежного насоса 28 щелочная вода из емкости 26 поступает под давлением 0,2 - 0,7 мПа по трубопроводу 30 во входной патрубок 31 водоструйного насоса, служащего для получения воды с окислительными свойствами. Электролизные газы, образовавшиеся в анодной камере, отсасываются с помощью этого насоса по трубопроводу 13 через всасывающий патрубок 14. В водоструйном насосе электролизные газы (хлор и кислород) растворяются в щелочной воде, сообщая ей окислительные свойства. Эта вода через выходной патрубок 34 указанного насоса поступает по трубопроводу 35 в емкость 36. Для предотвращения попадания анолита из циркуляционного контура в воду с окислительными свойствами, накапливаемую в емкости 36, трубопровод 13 связан с атмосферой через трубопровод 15, снабженный обратным клапаном 16. Последний служит для предотвращения проникновения хлора в атмосферу из трубопровода 13 при отсутствии разрежения во всасывающем патрубке 14, например, при аварийном отключении насоса 28. Для регулирования расхода щелочной воды, насос 28 может быть снабжен байпасным трубопроводом 32 с регулятором расхода 33.

В заявляемом техническом решении разрежение, создаваемое в катодной камере 4, способствует с одной стороны ускоренному удалению водорода из последней, а с другой - к интенсификации выделения газообразного хлора из анодной камеры 1. Последнее явление объясняется тем, что за счет перепада давления между анодной 1 и катодной 4 камерами (в анодной камере давление равно атмосферному, а в катодной камере оно ниже атмосферного) существует фильтрационный поток анолита из анодной камеры 1 через пористую диафрагму 3 в катодную камеру 4. Благодаря этому потоку снижается интенсивность электромиграционного переноса гидроксильных ионов (OH) из катодной камеры 4 в анодную 1, что в свою очередь препятствует повышению величины pH анолита. В кислом анолите (pH около 4) уменьшается растворимость хлора, что способствует увеличению его летучести и, следовательно, более высокому выходу по току. Использование щелочной воды для растворения электролизных газов, образовавшихся в анодной камере, позволяет получать воду с окислительными свойствами, имеющую значение pH в нейтральной и слабощелочной областях (например, от 6,8 до 8,2). Кроме того, хлор лучше растворим в щелочной воде, чем в нейтральной, что повышает полноту его использования при получении воды с окислительными свойствами. Подача в катодную камеру слабоминерализованной воды (с содержанием растворенных солей ниже 0,2%) позволяет получать воду с окислительными и восстановительными свойствами с низкой остаточной минерализацией. Получение воды с окислительными свойствами путем растворения электролизных газов (хлора) в слабоминерализованной щелочной воде позволяет получать дезинфицирующие растворы с пониженной коррозионной активностью за счет повышенного, по сравнению с прототипом, значения pH.

Пример реализации заявляемого технического решения. Была произведена электрохимическая обработка воды по заявляемому и по известному способам. Обработка проводилась в проточном цилиндрическом диафрагменном электролизере. В качестве диафрагмы использовалась пористая керамическая трубка из оксидной керамики на основе оксида алюминия с добавками оксидов циркония и иттрия. Толщина трубки составляла 1 мм, длина 210 мм, а поверхность фильтрации - 70 см². В качестве неразрушаемого анода использовалась титановая трубка с покрытием внутренней поверхности оксидом рутения. Катодом служил титановый стержень. Катод помещался коаксиально внутрь трубчатой керамической диафрагмы, а последняя так же коаксиально устанавливалась внутрь трубчатого анода. Анодная и катодная камеры разделялись при помощи резиновых уплотнительных колец. Анод в сборе с катодом и диафрагмой помещались в пластмассовые втулки, снабженные входными и выходными втулками анодной и катодной камер и закреплялись в них с помощью гаек и шайб. Анод и катод подсоединялись с помощью электрических проводов соответственно к положительному и отрицательному полюсам стабилизированного источника постоянного электрического тока. В качестве высокоминерализованной воды использовали насыщенный водный раствор хлорида натрия с содержанием последнего 300 г/дм³. Воду с окислительными свойствами получали путем растворения хлора, образовывающегося в анодной камере в процессе электролиза, в щелочной воде. Смешение хлора и щелочной воды осуществляли в водоструйном насосе, служащем для получения воды с окислительными свойствами. В катодную камеру подавали водопроводную воду, расход которой регулировали с помощью регулятора расхода (крана), установленного на шланге, соединяющем водопроводный трубопровод и входной патрубок катодной камеры. Выходной патрубок катодной камеры подсоединяли к всасывающему патрубку водоструйного насоса, служащего для получения воды с восстановительными свойствами. В последний также подавали водопроводную воду. Ее давление составляло 0,3 мПа. Католит, образовывающийся в катодной камере в процессе электролиза, отсасывался с помощью последнего водоструйного насоса, создававшего разрежение 0,06 мПа, и смешивался с водопроводной водой, при этом получалась щелочная вода с pH 10,8, которая накапливалась в емкости щелочной воды (воды с восстановительными свойствами). Щелочная вода отбиралась центробежным насосом из указанной емкости и под давлением 0,25 мПа подавалась в водоструйный насос, служащий для получения воды с окислительными свойствами. С помощью последнего насоса хлор отсасывался из циркуляционного контура анодной камеры и растворялся в щелочной воде. Таким образом получалась вода с окислительными свойствами.

Результаты проведенной электрохимической обработки представлены в таблице.

Как видно из таблицы, заявляемое техническое решение имеет целый ряд преимуществ перед способом-прототипом:
1. Значение pH окислительной воды выше, что является показателем более низкой коррозионной активности воды, получаемой по заявляемому способу.

2. Потребление соли (хлорида натрия) почти в 4 раза ниже, чем по способу-прототипу.

Изобретение относится к области электрохимической обработки воды и водных растворов солей с целью изменения ее окислительных и восстановительных свойств. В анодную камеру диафрагменного электролизера подают высокоминерализованную воду с содержанием солей от 2 до 35%, а образующийся в анодной камере в процессе электролиза хлор растворяют в щелочной воде, получаемой смешением католита и слабоминерализованной воды. При этом в катодной камере создают с помощью водоструйного насоса разрежение, обеспечивающее перепад давления на пористой диафрагме, разделяющей анодную и катодную камеры. Благодаря этому перепаду давления существует фильтрационный поток воды из анодной камеры в катодную, повышающий эффективность выделения хлора в анодной камере. Устройство для осуществления изобретения содержит проточный диафрагменный электролизер, состоящий из анодной и катодной камер, разделенных пористой диафрагмой, циркуляционный контур, соединяющий выходной и входной патрубки анодной камеры и связанный со всасывающим патрубком водоструйного насоса, служащего для получения воды с окислительными свойствами. Выходной патрубок катодной камеры связан со всасывающим патрубком водоструйного насоса, служащего для получения воды с восстановительными свойствами. Технический результат - увеличение срока службы анодного покрытия, снижение коррозионной активности воды с окислительными свойствами, максимально полное использование химических реагентов (солей), растворенных в воде. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ электрохимической обработки воды, характеризующийся тем, что исходная вода с растворенными в ней солями подается для электрохимической обработки в анодную камеру диафрагменного электролизера в зазор между анодом и пористой диафрагмой, одновременно в катодную камеру подается слабоминерализованная вода, проходит снизу вверх через зазор между анодом и катодом, приобретает восстановительные свойства и отводится из катодной камеры в верхней ее части, причем между анодной и катодной камерами имеется перепад давления, под действием которого существует фильтрационный поток жидкости из анодной камеры в катодную, а между анодом и катодом через воду в обеих камерах и пористую диафрагму, разделяющую эти камеры проходит электрический ток, отличающийся тем, что в анодную камеру подают исходную воду с высоким содержанием растворенных в ней солей, лежащим в диапазоне от 2 до 35%, а в катодную камеру подают слабоминерализованную воду с содержанием растворенных в ней солей не выше 0,2%, перепад давления между анодной и катодной камерами создают за счет того, что вода в анодной камере находится при атмосферном давлении, а в катодной - под разрежением 0,02 - 0,09 мПа, причем электролизные газы, образовавшиеся в анодной камере, отводят из нее в верхней ее части и растворяют во всем объеме или в части объема воды, прошедшей катодную обработку и смешанной со слабоминерализованной водой, не подвергнутой электрохимической обработке, сообщая окислительные свойства указанному объему воды или его части. 2. Устройство для электрохимической обработки воды, содержащее, по крайней мере, один проточный диафрагменный электролизер, состоящий из анодной и катодной камер, разделенных пористой диафрагмой и снабженных отдельными входными и выходными патрубками, циркуляционный контур, образованный трубопроводом, соединяющим выходной и входной патрубки анодной камеры, и соединенный трубопроводом со всасывающим патрубком водоструйного насоса, служащего для получения воды с окислительными свойствами, отличающееся тем, что входной патрубок анодной камеры связан трубопроводом с емкостью для хранения высокоминерализованной воды, циркуляционный контур связан с атмосферой через трубопровод с обратным клапаном, входной патрубок катодной камеры соединен трубопроводом, снабженным регулятором расхода, с трубопроводом слабоминерализованной воды, а выходной патрубок катодной камеры - со всасывающим патрубком водоструйного насоса, служащего для получения воды с восстановительными свойствами, причем входной патрубок последнего соединен трубопроводом с трубопроводом слабоминерализованной воды, а выходной патрубок - с емкостью для хранения воды с восстановительными свойствами, последняя связана со всасывающим патрубком центробежного насоса подачи щелочной воды, выходной патрубок которого соединен трубопроводом с входным патрубком водоструйного насоса, служащего для получения воды с окислительными свойствами, а выходной патрубок последнего связан с емкостью для хранения воды с окислительными свойствами. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что центробежный насос снабжен байпасным трубопроводом с регулятором расхода.