УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ Российский патент 2000 года по МПК C02F1/461 

Изобретение относится к области обработки воды с системах водо- и теплоснабжения и может быть использовано в тех областях техники, где требуется получить воду с минимальными коррозионными свойствами по отношению к материалу трубопроводов. Такая вода, во-первых, должна быть стабильной по отношению к карбонату кальция, т.е. не растворять его и не выделять из своего объема, и, во-вторых, иметь минимальное содержание агрессивных примесей, таких как диоксид углерода, кислород, анионы сильных кислот.

Известен способ /1/ стабилизационной обработки воды, заключающийся в фильтрации обрабатываемой воды через фильтр с мраморной крошкой. При этом протекают следующие процессы. Если обрабатываемая вода пересыщена ионами кальция и карбонат-ионами относительно произведения растворимости карбоната кальция, т.е. произведение концентраций карбонат-иона и иона кальция больше величины произведения растворимости карбоната кальция, то часть ионов карбоната кальция переходит из ионной формы в кристаллическую и отфильтровывается на фильтре, заполненном мраморной крошкой, которая играет роль центров кристаллизации карбоната кальция. Вода, прошедшая через фильтр является стабильной. Если обрабатываемая вода агрессивна к карбонату кальция, т.е. произведение концентраций ионов кальция и карбонат-ионов меньше произведения растворимости карбоната кальция, то такая вода растворяет карбонат кальция (мраморную крошку), и после фильтра также становится стабильной. Однако в данной установке нельзя достигнуть низкой коррозионной активности воды с высоким содержанием агрессивных примесей, таких как растворенные газы кислород и диоксид углерода, и анионы сильных кислот, например хлориды и сульфаты.

Известна установка /2/ для снижения жесткости и щелочности воды, включающая последовательно соединенные смесители, механический и ионообменный фильтры, диафрагменный электролизер с ионоселективной мембраной, катодная камера которого соединена через бак щелочи со смесителем, а анодная камера - с баком деаэратором. Недостатком данной установки является невозможность снижения концентраций сульфат-ионов и хлорид-ионов, а также необходимость энергетических и материальных затрат на дегазацию обработанной воды в баке-деаэраторе. Недостатками известной установки являются также: повышенная кислотность обрабатываемой воды хлоридного и сульфатного классов, что снижает коррозионную активность обработанной воды, а в совокупности с повышенным содержанием хлоридов и сульфатов увеличивает ее.

Наиболее близкой по технической реализации заявляемому решению следует считать установку для деаэрации воды /3/, включающую электролизер 1 и электрохимический генератор 2, электрически связанные с источником постоянного тока, при этом системы охлаждения электролизера и электрохимического генератора связаны основным трубопроводом и присоединены последовательно к системе охлаждения поглотителя кислорода 3 и к десорберу 4, на трубопроводе отвода газа которого установлены последовательно поглотитель кислорода 3, поглотитель углекислого газа 5, нагнетатель 6 и ресивер 7, присоединенный к патрубку подвода рабочего газа десорбера, который байпасным трубопроводом 8 соединен с электролизером (фиг. 1). Установка работает следующим образом. Обрабатываемая вода по основному трубопроводу последовательно подается в системы охлаждения электролизера 1, электрохимического генератора 2, поглотителя кислорода 3, нагревается и поступает в десорбер 4. При работе электролизера 1 в результате электролизера на катоде образуется молекулярный водород, а на аноде - молекулярный кислород. Молекулярный водород нагнетается в десорбер. Содержащиеся в обрабатываемой воде агрессивные газы десорбируются и подаются в последовательно установленные поглотители кислорода 3 и углекислого газа 4. Дегазированная вода из десорбера подается потребителю. Однако данная установка обладает следующими недостатками. Невозможно выполнить стабилизационную обработку воды, тогда как практические все природные воды требуют стабилизационной обработки. Это означает, что обработанная вода будет или отлагать карбонат кальция из своего объема, что приводит к образованию сильных отложений на поверхности теплообмена и трубопроводах, или растворять его, что характеризует используемую воду как агрессивную по отношению к стальным трубопроводам. При содержании в обрабатываемой воде анионов сильных кислот более 50 мг/л требуется дополнительная обработка воды, так как такая вода считается коррозионной по отношению к материалу трубопроводов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в снижении коррозионной активности воды путем обработки ее в катодной камере электролизера, анодная камера которого замкнута циркуляционным контуром через блок корректировки катионного состава электролита, отфильтровании образовавшегося карбоната кальция, и дегазации в десорбере, при этом газообразные продукты электролиза подаются нагнетателем в поглотитель, где сжигаются, а продукты этого процесса направляются в десорбер.

Для достижения этого технического результата установка для обработки воды дополнительно снабжена поглотителем электролитически полученных газов, механическим фильтром, блоком корректировки катионного состава электролита и при этом трубопровод обрабатываемой воды присоединение ко входу катодной камеры электролизера и соединяет последовательно выход катодной камеры, механический фильтр, и десорбер, анодная камера электролизера замкнута циркуляционным контуром через блок корректировки катионного состава электролита и присоединена трубопроводом отвода газов посредством нагнетателя к поглотителю электролитических газов, после которого продукты взаимодействия электролитических газов направляются в десорбер.

Таким образом, обработка воды в установке, включающей двухкамерный электролизер, анодная камера которого замкнута циркуляционным контуром через блок корректировки катионного состава электролита и соединена трубопроводом отвода газов посредством нагнетателя с поглотителем электролитических газов, а катодная камера которого соединена трубопроводом обрабатываемой водой с фильтром, десорбером с патрубками подвода и отвода обрабатываемой воды, патрубок отвода продуктов десорбции которого соединен с нагнетателем, подающим электрические газы в поглотитель, присоединенный к десорберу, позволяет получить новое свойство, заключающееся в снижении коррозионной активности обработанной воды, как за счет получения стабильной воды, так и за счет снижения в процессе обработки содержания агрессивных газов и анионов сильных кислот.

Сущность изобретения поясняется чертежом, приведенным на фиг. 2. Установка включает диафрагменный электролизер 1 с ионоселективной мембраной 9, отделяющими катодную камеру 10 от анодной камеры 11. Трубопровод обрабатываемой воды 12 соединяет выход катодной камеры 10 с последовательно присоединенными фильтром 13 и десорбером 14. Патрубок отвода продуктов десорбции десорбера 14 соединен с нагнетателем 15, к напорной линии которого присоединен трубопровод отвода электролитических газов 16 от анодной камеры 11 электролизера 1. Анодная камера 11 замкнута циркуляционным контуром через блок корректировки катионного состава 17. Нагнетатель 15 соединен с поглотителем электролитических газов 18, который связан с десорбером 14.

Установка работает следующим образом. Исходная вода поступает в катодную камеру 10 электролизера 1. Под действием электрического поля катионы перемещаются в направлении к катоду, а анионы перемещаются в анодную камеру 11. Содержание анионов сильных кислот обрабатываемой воды снижается, а катионов повышается. Сульфат-ионы и хлорид-ионы перемещаются в анодную камеру. Ионы кальция из анодной камеры перемещаются в катодную камеру. Водородный показатель католита повышается. Гидрокарбонаты превращаются в карбонаты. Диоксид углерода переходит в связанную форму и присутствует в виде гидрокарбонатов или карбонатов. При электролизе воды образуется молекулярный водород, который растворяется в объеме обрабатываемой воды, которая в дальнейшем поступает в десорбер 14. При превышении произведения растворимости карбоната кальция ионы кальция вступают в реакцию с карбонат-ионами и образуют кристаллическую фазу карбоната кальция. Выход катодной камеры 10 соединен трубопроводом обрабатываемой воды 12 с фильтром 13, в котором образующийся карбонат кальция отфильтровывается. Далее стабильная вода с пониженным содержанием хлоридов и сульфатов, карбонатов и кальция, и с растворенным электролитически полученным водородом поступает в десорбер 14, из которого через патрубок отвода обработанной воды подается потребителю. В десорбере происходит десорбция кислорода электрически полученным водородом. Через патрубок отвода продуктов десорбции электролитически полученный водород и десорбированный кислород подаются нагнетателем 15 в поглотитель электролитически полученных газов 18. Туда же по трубопроводу 16 поступает электролитически полученный кислород из анодной камеры 11 электролизера 1. В процессе обработки воды в анодной камере 11 происходит разложение бикарбонатов, перешедших из катодной камеры с образованием диоксида углерода. Блок корректировки катионного состава электролита 17 выполнен, например, в виде блока, загруженного мраморной крошкой. В этом случае образующиеся в анодной камере ионы водорода взаимодействуют с карбонатом кальция, при этом кислотность анолита понижается, ионы кальция переходят в раствор и перемещаются в катодную камеру, а образующийся диоксид углерода совместно с кислородом по трубопроводу 16 подается в поглотитель 18. В поглотителе электролитических газов 18 происходит или каталитическое окисление водорода кислородом, так называемое бесплатное сжигание, или сжигание в специальной горелке с избытком водорода. Продукты реакции, включая водяные пары, диоксид углерода и водород подаются в десорбер 14. Для обеспечения избытка водорода трубопровод 16 может быть снабжен регулятором подачи кислорода. Таким образом смесь, поступающая в десорбер, лишена кислорода и содержит частично диоксид углерода, подаваемый из анодной камеры, электролитически полученный водород, избыточное количество которого не прореагировало с кислородом, а также водяные пары, образовавшиеся в результате взаимодействия кислорода и водорода. Диоксид углерода растворяется в обрабатываемой воде, понижает водородный показатель воды и переходит в карбонатную форму. Азот, водород и водяные пары образуют газовую смесь, в которую десорбируются содержащийся в обрабатываемой воде кислород и водород. Эта газовая смесь нагнетателем 15 подается в поглотитель электролитически полученных газов 18 и цикл повторяется.

При электролитическом получении водорода его количество пропорционально количеству электричества, пропущенного через электролизер. Также пропорционально этому количество гидроксильных ионов, образующихся в катодной камере. Таким образом, чем больше получено электролитического водорода, тем выше значение водородного показателя pH. Однако требования к качеству питьевой воды и к качеству воды открытых систем теплоснабжения таковы, что значение водородного показателя не должно превышать величины pH 9. Для закрытых систем теплоснабжения эта величина может быть в пределах 8,3...10,5. Поэтому понижение величины водородного показателя при неизменном количестве пропущенного электричества позволяет проводить более полную обработку воды за счет десорбции агрессивных газов электролитическим водородом, не превышая при этом требуемых значений водородного показателя. Введение в циркуляционный контур анодной камеры блока корректировки катионного состава в виде блока, заполненного мраморной крошкой, позволяет снизить значение водородного показателя католита как за счет частичной подачи образующегося в анодной камере 11 диоксида углерода в десорбер 15 по трубопроводу 16, так и за счет переноса ионов кальция из анодной камеры 11 в катодную камеру 10. Наличие кальция в катодной камере ведет к понижению водородного показателя в результате протекания следующих реакций:

Таким образом, в блоке корректировки катионного состава, выполненном в виде блока, заполненного мраморной крошкой, происходит растворение карбоната кальция, что ведет к снижению водородного показателя католита и насыщению его кальцием. Это увеличивает проводимость электролита, а также способствует интенсификации процесса образования кристаллической фазы карбоната кальция из объема католита, который отфильтровывается на фильтре 13. В случае, если обрабатываемая вода, как это будет показано ниже, имеет отрицательный индекс стабильности, то введение блока корректировки катионного состава способствует получению стабильной воды с индексом стабильности около нуля. Присоединение анодной камеры электролизера к поглотителю электролитических газов позволяет устранять из объема десорбера кислород и насыщать его водяными парами и диоксидом углерода, что также ведет к снижению водородного показателя обрабатываемой воды и интенсификации процесса десорбции кислорода.

Пример выполнения предлагаемого технического решения. Обработке подвергается невская вода со значениями показателей качества, приведенными в табл. 1
Коррозионная активность воды определялась с использованием лабораторного коррозиметра. Исследования проводились на образцах, изготовленных из стали 3.

Исходная вода подвергалась обработке на лабораторной установке, схема которой приведена на фиг. 2. В состав установки входят: двухкамерный диафрагменный электролизер, блок корректировки катионного состава электролита, фильтр и десорбер.

Электролизер выполнен с нерастворимыми электродами. Катод выполнен из стали X18H10T, анод - из титана BT1-0, площадь электродов - 250 см². Между электродами помещена мембрана. Электрическая схема питания электролизера включает стабилизатор напряжения УСИ-500 и выпрямитель ВСА-5А и приборы измерения тока и напряжения. Катодная камера электролизера последовательно соединена с фильтром и накопительной емкостью-десорбером, из которой производился отбор обработанной воды. Анодная камера электролизера через циркуляционный контур соединена с газоразрядником и блоком корректировки катионного состава, выполненного в виде колонки, заполненной мраморной крошкой. В качестве поглотителя электролитических газов используется горелка для сжигания водорода, продукты процесса которого направляются в десорбер.

Расход воды через анодную камеру составлял 4 л/ч, через катодную - 20 л/ч. Сила тока изменялась от 0,5 до 1,0 А. Результаты проведения эксперимента представлены в табл. 2.

На основе анализа табл. 2 можно сделать вывод, что предлагаемая установка позволяет снизить коррозионную активность обрабатываемой воды в 8 - 10 раз при обеспечении требуемых показателей ее качества.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. М.: Высшая школа. - 1987 г. - 497 с., с. 446.

2. SU СССР N 874655. Установка для обработки воды.

3. RU 2010005. Установка для деаэрации воды.

Использование: в области обработки воды в системах водо- и теплоснабжения и может быть использовано в тех областях техники, где требуется провести стабилизационную обработку воды и снизить содержание агрессивных примесей, таких как кислород, диоксид углерода и анионы сильных кислот. Сущность изобретения: установка предназначена для обработки воды в катодной камере электролизера, анодная камера которого замкнута циркуляционным контуром через блок корректировки катионного состава электролита, отфильтровывания образовавшегося карбоната кальция и дегазации в десорбере, при этом газообразные продукты электролиза поглощаются в поглотителе или сжигаются, а продукты этого процесса направляются в десорбер. Техническим результатом изобретения является снижение коррозионной активности воды. 2 ил., 2 табл.

Установка для обработки воды, содержащая трубопроводы обрабатываемой воды и электролитических газов, двухкамерный электролизер с подключенным к нему источником постоянного тока, десорбер с патрубками подвода и отвода обрабатываемой воды, патрубок отвода продуктов десорбции которого соединен с нагнетателем, отличающаяся тем, что установка дополнительно снабжена поглотителем электролитических газов, механическим фильтром, блоком корректировки катионного состава электролита и при этом трубопровод обрабатываемой воды присоединен ко входу катодной камеры электролизера и соединяет последовательно выход катодной камеры, механический фильтр и десорбер, анодная камера электролизера соединена циркуляционным контуром с блоком корректировки катионного состава электролита, трубопровод отвода газов анодной камеры присоединен посредством нагнетателя к поглотителю электролитических газов, который связан с десорбером.