ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯТОР Российский патент 2001 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 /В.А.Клячко, И.Э.Апельцин. Подготовка воды для промышленного и городского водоснабжения. М.: "ГСИ", 1962, с. 154/.

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:
-высокий расход электроэнергии до 12 кВт-ч/куб.м вследствие трудности отрыва ионов металла с поверхности электрода, пассивация электродов, больших межэлектродных зазоров, недостаточно развитой поверхности плоских электродов /В.Ю.Баклан и др. в журнале "Химия и технология воды", N 4, 1992, с.318/;
- жесткие санитарные нормы на содержание остаточного алюминия в питьевой воде Al ≤ 0,05 мг/л, что невозможно выдержать при существующей конструкции электрокоагулятора /И. М. Соломенцев, Л. А. Величанская, И.Г.Герасименко. Проблема остаточного алюминия в очищенной воде. N 6, 1991, с. 516 - "Химия и технология воды" - журнал/;
- окрашивание воды в оранжевый цвет при использовании железных электродов, что недопустимо по требованиям ГОСТа на питьевую воду. Предпринимались конструктивные попытки устранить некоторые из перечисленных недостатков. Так, для предотвращения образования осадка на электродах рекомендуют менять полярность тока /А.К.Запольский, А.А.Баран. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л.: Химия, 1967, с.190/.

Однако эффективность переполюсовки падала с каждым новым повторением, накапливались остаточные явления и она становилась неэффективной. Требовались кислотная промывка, переборка электродного пакета и механическая чистка, что требовало остановки процесса или установки дублирующего коагулятора.

Для уменьшения межэлектродных зазоров при одновременном исключении пробоев между электродами устанавливали изолирующие дистанционные шайбы /В.Ю. Баклан и др. Электрокоагуляционная очистка промывочных вод сложного состава. - "Химия и технология воды", N 4, 1992, с. 319/. Однако при больших размерах электродов зазор не удавалось снизить до величин, меньших 10-15 мм из-за коробления и неплоскостности листов.

Развить поверхность плоских электродов, чтобы снизить рабочий ток и расход электроэнергии, можно, если выполнить электроды профилированными, например гофрированными. Это позволило увеличить жесткость листов, уменьшить зазоры, увеличить поверхность и, соответственно, снизить рабочий ток и повысить ресурс электродов до пассивации /А.с. N 597743 от 16.05.75, М.кл. C 25 N 11/02/.

В патенте РФ N 2116259, принятом за прототип, 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 воды, дистанционные прокладки между анодными и катодными электродами выполнены сплошными параллельно всей поверхности электродов с зазорами относительно электродов и с открытыми проходами для воды со стороны нижнего и верхнего торцев. Металл растворяется на аноде и мигрирует к катоду, вызывая катодную поляризацию и пассивацию. Одновременно на катоде образуются ионы гидроксила ОН^-, которые, мигрируя к аноду, разряжаются до кислорода, блокирующего растворяющую поверхность. Установка сплошных перемычек исключает межэлектродную миграцию ионов ОН^- 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 ОН^- также уносятся потоком воды в открытые проходы торцев электродов. Причем ионы ОН^- не разряжаются до кислорода, а участвуют в щелочном связывании солей жесткости в осадок. Исполнение электрода комбинированным из алюминия и железа позволяет решить ряд проблем:
- комплексный ион /Al³⁺+Fe³⁺/ в сочетании с солями жесткости является двойным коллектором и способен связывать не только соли жесткости, но и соли тяжелых металлов, органику и др. /В.И.Максин. Карбонаты щелочных металлов. - "Химия и технология воды", N 5, 1991, с.431/;
- 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 возникавшая при использовании одиночного Fe, т.к. снижается его концентрация и активное железо связывается в нейтральное соединение.

Несмотря на крупный вклад патента N 2116259 в решение проблем электрокоагуляции, в конструкции имеется ряд недостатков:
- прямоугольная конфигурация корпуса аппарата, повторяющая плоскопараллельную компоновку электродных пластин, ограничивает габариты аппарата, т.к. его плоские днища и стенки плохо выдерживают внутреннее давление. Увеличение толщины стенок и установка ребер жесткости позволяет скомпановать аппарат объемом до одного куб.м и производительностью до 20 куб. м/час, хотя потребность в производительности в десятки раз превышает названную;
- установка изолирующих прокладок между электродами позволила резко сократить межэлектродную миграцию ионов. Но полностью миграция не была исключена, т.к. существовали монтажные зазоры между изолирующими прокладками, стенками и днищем аппарата, где ионы свободно мигрировали между анодными и катодными камерами со всеми негативными последствиями - пассивацией электродов и паразитными перетоками металла;
- вариант гофрированного электрода увеличивает поверхность электродов всего в пределах 20%;
- рабочая поверхность электродов занижена за счет размещения токоподводов внутри электродного объема;
- низкая единичная производительность единичных электродных блоков, что не удовлетворяет современным требованиям к установкам водоподготовки в масштабах города и региона.

Целью настоящего изобретения является создание конструкции электрокоагулятора, решающей названные проблемы.

На фиг. 1 представлен предлагаемый аппарат в продольном разрезе, на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1, на фиг. 3 - разрез Д-Д фиг. 1, на фиг. 4 - разрез Б-Б фиг. 2, на фиг. 5-6 - вид В и В' фиг. 4, на фиг. 7 - попытка создать крупномасштабный вариант электрокоагулятора /ЭК/.

ЭК в виде электродного блока включает прямоугольный корпус 1 с нижним днищем 2, верхним фланцем 3, плоскопараллельные соединенные попарно однополярные алюминиевые 5 и железные 6 электроды, разделенные сплошными изолирующими прокладками 7 от каждой пары электродов обратной полярности 8 и 9, положительный 10 и отрицательный 11 токоподводы, штуцера ввода 12 и вывода 13 воды. Нижнее днище 2 выполнено перфорированным, а фланец размещен в нижнем разъеме 15 цилиндрического корпуса 16, имеющего нижнее сферическое днище 17 и верхнюю сферическую крышку 18, прикрепленную к верхнему разъему 19 цилиндрического корпуса 16. Стенка 1 и днище 2 электродного блока снабжены изолирующими прокладками 20,21,22 с пазами 23,24,25, в которых установлены изолирующие прокладки 7, образуя изолированные камеры 26 и 27. Перфорация 28 днища 22 выполнена до середины днища с чередованием целых и перфорированных участков днища камер, причем половина каждой камеры выполнена цельной, а половина - перфорированной. Соединение электродов каждой камеры однополярной пары 5,6 и 8,9 выполнено при помощи болта 29 с дистанционной пластиной 30 между электродами, причем второй конец пластины присоединен к токоподводу 10 или 11. Дистанционный зазор между электродами 5 и 6, 8 и 9 должен обеспечивать проход воды без застойных зон и составляет, например, 5 мм. Пластина 30 выполнена Г-образной формы с отверстием под болт 29 электродов и вырезом 31 под стержень токоподвода 10 или 11, причем вырез 31 охватывает стержень в виде полусферы, а токоподводы 10 и 11 с дистанционными втулками 32 расположены на изолирующих полосах 33 и 34 на противоположных фланцах электродного блока. Изолирующие прокладки 7 зафиксированы от перемещения полосой 4. Фланцы 3 электродных блоков 35,36,37 прикреплены к фланцам 38 цилиндрических штуцеров 39,40,41, размещенных рядом на цилиндрическом аппарате 42 с верхним 43 и нижним 44 сферическими днищами, а штуцера 45 сферических крышек электродных блоков соединены патрубком 46 выхода воды 47, причем электроды 5,6,8,9 и изолирующие прокладки 7 каждого электродного блока ориентированы вертикально. Токоподвод 10 имеет выход к внешним соединениям через провод 48, шпильку 49 и провод 50. Аналогично, токоподвод 11 имеет выход к внешним соединениям через провод 51, шпильку 52 и провод 53. Сжим дистанционных втулок 32 и пластин 30 осуществляется гайками 54. Защита токоподводов выполняется фланцем 55 и кожухом 56. Для облегчения отрыва электронов электроды снабжены перфорацией 57. Соединение электродов 5 и 6 в прототипе выполнено заклепками 58. Описанные аппараты снабжены штуцерами входа воды 12, 59, штуцерами выхода воды 12 и 47, а также воздушками 14, 60 и 61. Предусмотрены штуцера 62 и 63 для сброса осадка.

Электрокоагулятор работает следующим образом. На токоподвод 10 и 11 подается напряжение. Через штуцер 12 в аппарат подают воду, подлежащую умягчению или очистке. Проходя через электродную зону воды насыщается комплексными ионами - /Al³⁺+Fe³⁺/ c анода и подщелачивается гидроксилом ОН^- транспортируемым потоком воды от катода.

При этом карбонат переходит в форму HCO-3

, которая при контакте с солями жесткости образует микрокристаллы CaCO2-3. Комплексный коагулянт укрупняет кристаллы, одновременно сортируя соли тяжелых металлов, органику и другие примеси. Межэлектродная миграция ионов металла и ионов ОН^- отсутствует из-за сплошных дистанционных перегородок. Исключены также паразитные торцевые перетоки i разнополярных ионов через монтажные зазоры, которые имелись в прототипе - фиг. 6. В предлагаемой конструкции - фиг. 5 изолирующие прокладки 7 установлены в пазах 23, образуя изолированные камеры. Проблема межкамерных перетоков разнополярных ионов на нижнем торце аппарата при входе воды в ЭК решена установкой днища из изолирующего материала с пазами и оригинальной перфорацией, исключающей близкий контакт потоков воды, поступающих в соседние камеры. Названные меры позволили резко сократить расход электроэнергии с 0,2 до 0,05 кВт-ч/куб.м воды, а также исключить поляризацию электродов. В каждой камере ЭК установлено по два однополярных электрода вместо одного в прототипе. Это позволило в два раза увеличить рабочую поверхность электродов при незначительном увеличении габарита: между ранее склепанными листами 5 и 6 по фиг. 6 ввели зазор δ₂ фиг. 5, который сделал внутренние поверхности электродов активными. Межэлектродный шаг t₁ в прототипе составлял:
t₁ = (2δ₁+S₁+2S₂) = (2•5+3+2•2) = 17 мм.

В предлагаемой конструкции шаг t₁ увеличился всего на δ₂= 5 мм и составил:
t₂ = (2δ₁+S₁+2S₂)+δ₂= 17+5 = 22 мм
Токоподводы в прототипе пронизывали электроды, сокращая их поверхность и вынуждая при замене электродов производить полную переборку фидеров и всего пакета электродов. В предлагаемом решении достаточно ослабить гайки 54 - фиг. 2 и просто вынуть парный однополярный электрод вместе с дистанционной пластиной 30, вырез которой охватывал полусферой стержень токоподвода 10. Это резко снижает трудоемкость и время замены электродов при их растворении. В десятки раз увеличена единичная производительность ЭК и повышена безопасность их работы. Как отмечалось, прямоугольный корпус с внутренним давлением лимитировал производительность аппарата и заставлял внимательно следить за превышением давления, от которого трещали швы и лопались плоские стенки. Теперь полости внутренних электродных блоков находятся под одинаковым давлением, а разность рабочего и атмосферного давлений воспринимают цилиндрический корпус 16 - фиг. 1 и сферические днища 17,16, великолепно работающие при любом давлении. Это позволило резко увеличить габариты встроенных электродных блоков и тем самым повысить их производительность. Однако подобное увеличение производительности ограничено массой электродов, которые периодически необходимо менять вручную. Компоновка электродных блоков в вертикальном цилиндрическом аппарате многократно увеличивает единичную мощность ЭК. Производственная площадь нового ЭК увеличится незначительно, т.к. вертикальные цилиндрические аппараты весьма компактны. Однако новый ЭК - не есть простое сложение однотипных модулей: необходимо соблюсти условие вертикальной ориентации электродов и изолирующих прокладок, иначе конструкция будет разрушена.

По предлагаемому изобретению разработана конструкторская документация промышленного ЭК для установок подготовки питьевой воды Q = 1500 куб.м/сутки в организациях Газпрома: станции подземного хранения газа г. Песчаный Умет и г. Мокроус Саратовской области.

Изобретение относится к оборудованию для электрокоагуляционной очистки воды от солей жесткости и других примесей с использованием анодов, подвергающихся электрохимическому растворению. Электрокоагулятор в виде электродного блока содержит прямоугольный корпус с нижним днищем, верхним фланцем, плоскопараллельные соединенные попарно однополярные электроды, разделенные сплошными изолирующими прокладками от каждой пары электродов обратной полярности, положительные и отрицательные токоподводы, штуцера ввода и вывода воды. Цилиндрический корпус электрокоагулятора имеет нижнее сферическое днище и верхнюю сферическую крышку. Стенка и днище электродного блока снабжены изолирующими прокладками с пазами, в которых установлены изолирующие прокладки, образуя изолированные камеры. Нижнее днище электродного блока выполнено перфорированным, причем перфорация в изолированных камерах выполнена до середины днища с чередованием целых и перфорированных участков днища камер. Однополярные пары электродов каждой камеры соединены при помощи болта с дистанционной пластиной между электродами, причем второй конец пластины присоединен к фидерам. Токоподводящая пластина выполнена Г-образной формы с отверстием под болт электрода и вырезом под стержень в виде полусферы. Фидеры расположены на изолирующих полосах на противоположных фланцах электродного блока. Фланцы электродных блоков прикреплены к фланцам цилиндрических штуцеров, размещенных по образующим и на торцах цилиндрического аппарата, причем электроды и изолирующие прокладки в каждом электродном блоке ориентированы вертикально. Технический результат: увеличение поверхности электродов, увеличение единичной мощности электрокоагулятора, увеличение производительности электродных блоков. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электрокоагулятор в виде электродного блока, содержащего прямоугольный корпус с нижним днищем, боковыми стенками, изолирующими обкладками, верхним фланцем и съемной крышкой, плоскопараллельные однополярные электроды, разделенные сплошными изолирующими прокладками от электродов обратной полярности, положительный и отрицательный токоподводы ко всем электродам, штуцера ввода и вывода, отличающийся тем, что соединение электродов каждой однополярной пары выполнено с дистанционными токоподводящими пластинами между электродами, изолирующие прокладки установлены в пазах изолирующих обкладок стенок и днища, образуя изолированные камеры. 2. Электрокоагулятор по п.1, отличающийся тем, что токоподводящая пластина выполнена Г-образной формы с отверстием под болт электрода и вырезом под стержень токоподводящего фидера, причем вырез охватывает стержень в виде полусферы, а фидеры расположены на изолирующих полосах на противоположных фланцах электродного блока. 3. Электрокоагулятор по п.1, отличающийся тем, что дистанционный зазор между электродами, а также между электродами и изолирующими прокладками должен обеспечить проход без застойных зон, например, 5 мм. 4. Электрокоагулятор по п1, отличающийся тем, что фланец размещен в нижнем разъеме цилиндрического корпуса, имеющего нижнее сферическое днище и верхнюю сферическую крышку, прикрепленную к верхнему разъему цилиндрического корпуса. 5. Электрокоагулятор по п.1 или 4, отличающийся тем, что нижнее днище имеет перфорацию, причем перфорация в изолированных камерах выполнена до середины днища с чередованием целых и перфорированных участков днища камер, половина днища каждой камеры выполнена цельной, а половина - перфорированной. 6. Электрокоагулятор по п.1 или 4, отличающийся тем, что фланцы электродных блоков прикреплены к фланцам цилиндрических штуцеров, размещенных по образующим и на торцах цилиндрического аппарата, причем электроды и изолирующие прокладки в каждом электродном блоке ориентированы вертикально.