УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/463 C02F1/465 C02F103/04 

Предлагаемое техническое решение относится к области очистки питьевой воды, к электрохимическим очистителям воды.

Областью применения настоящего изобретения может быть доочистка водопроводной воды, а также очистка природных вод для водоснабжения ограниченных групп людей (групповое средство очистки воды).

Устройства электрохимической очистки воды удаляют большую часть загрязнений, практически не меняя солевой состав обрабатываемой воды. При этом из воды удаляются, как правило, антропогенные загрязнения: органические примеси, соли тяжелых металлов, радионуклиды, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), нефтепродукты. Обработанная устройством электрохимической очистки вода обладает высокими органолептическими и физико-химическими свойствами. Качество воды остается неизменным в течение всего срока эксплуатации установки, так как, в отличие от сорбционных технологий, не происходит аккумулирование загрязнений в устройстве.

Известные конструкции устройств электрохимической очистки воды описаны в монографиях М.Г. Грановского, И.С. Лаврова, О.В. Смирнова "Электрообработка жидкостей" (Л., Химия, 1976); С.В. Яковлева, И.Г. Краснобородько, В.М. Рогова "Технология электрохимической очистки воды" (Л., Стройиздат, 1987).

Известны устройства электрохимической очистки воды, содержащие последовательно расположенные электролизер, флотатор и фильтр (SU 1761676 A1, SU 176I677 A1, SU 1761678 A1).

Известны устройства электрохимической очистки воды, содержащие последовательно расположенные электролизер, электрофлотатор и фильтр, реализующие наиболее перспективный метод очистки воды - электрофлотокоагуляцию (М.Г. Грановский, В. С. Лавров, О.В. Смирнов. "Электрообработка жидкостей", Л., Химия, 1976, с. 190-191).

Известно, что "существенным недостатком электрофлотокоагуляции являются процессы пассивации анодов к адсорбции на них посторонних примесей" (С.В. Яковлев и др. "Технология электрохимической очистки воды", Л., Стройиздат, 1987, с. 201).

Известно также устройство для электрохимической очистки воды, содержащее электролизер, флотатор и фильтр, в котором эти узлы объединены в одном электрохимическом реакторе - электрофлотаторе (Заявка 98110953 от 17 июня 1998 г. на изобретение "Способ электрохимической очистки питьевой воды и устройство для его осуществления").

Существенным отличиями этого устройства являются наличие закрепленного на верхней части электрохимического реактора шламосборника, установленного с возможностью вертикального перемещения на верхнем отверстии реактора обладающего положительной плавучестью обратного конуса, пакета растворимых электродов, установленного непосредственно над электродами электрофлотации.

Известное устройство является наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности, назначению и по максимальному количеству сходных существенных признаков и поэтому оно выбирается за прототип.

Известное устройство-прототип содержит (фиг.1) электрохимический реактор 1 с закрепленным на его верхней части шламосборником 2, при этом на верхнем отверстии реактора 1 установлен с возможностью вертикального перемещения обладающий положительной плавучестью обратный конус 3. В нижней части электрохимического реактора расположен электродный блок 4, содержащий пакет электродов электрокоагуляции 5 и электроды электрофлотации 6, который подключен к источнику питания и управления 7.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Электрохимический реактор 1 заполняют обрабатываемой водой. В процессе заполнения включен электродный блок 4. При этом пакет электродов электрокоагуляции 5 (фиг. 2) продуцирует в процессе анодного растворения материал анода 8, которым, как правило, является алюминий. Ионы алюминия, комбинируясь с ионами гидроксида из обрабатываемой воды, образуют гидрооксид алюминия, который и осуществляет коагуляцию примесей из воды. Одновременно катод 9 пакета растворимых электродов 5 и катод 10 электродов электрофлотации 6 выделяют пузырьки водорода, которые осуществляют миграцию образующихся хлопьев коагулянта к поверхности обрабатываемой воды. Заполнение реактора 1 заканчивается, когда вода выходит из его верхнего отверстия, поднимает обратный конус 3 и заполняет емкость шламосборника 2 выше верхнего края горловины реактора 1.

По достижении этого уровня прекращают заполнение реактора 1 обрабатываемой водой и отключают пакет растворимых электродов 5 электродного блока 4, оставляя включенными электроды электрофлотации 6. При этом продолжается выделение пузырьков водорода с катода 10. Поскольку анодом II группы электродов электрофлотации 6 является инертный материал (например, графит), с него в обрабатываемую воду поступает лишь атомарный кислород, способствующий обеззараживанию обрабатываемой воды. По окончании процесса электрофлотации отключают электроды электрофлотации 6 и сбрасывают в канализацию шлам, собравшийся на поверхности воды в емкости шламосборника 2. При этом опускающийся вместе с уровнем воды обратный конус 3 выдавливает в емкость шламосборника некоторое количество очищенной воды из горловины реактора 1. После сброса шлама обработанную воду направляют на фильтр заключительного фильтрования. После опорожнения электрохимического реактора 1 процесс повторяют с новой порцией исходной воды.

Недостатком устройства-прототипа является процесс пассивации электродов (анодов) пакета растворимых электродов в ходе эксплуатации устройства, что снижает выработку активного коагулянта, нарушает стабильность физико-химических и органолептических свойств обработанной воды в процессе длительной эксплуатации установки, сокращает периоды между заменами электродного блока.

Известно, что при включении пакета растворимых электродов основную нагрузку несут аноды. На них в процессе электролиза образуются активные ионы металла анода (в основном, алюминия), которые в межэлектродном пространстве образуют молекулы гидооксида алюминия - основного коагулянта при электрохимической обработке воды. Одновременно идет электролиз обрабатываемой воды. В результате электролиза воды на аноде выделяется атомарный кислород, способствующий окислению органических примесей в воде, а также некоторое количество гипохлоритов, способствующих, как и атомарный кислород, не только окислению примесей, но и обеззараживанию воды. На катоде пакета растворимых электродов образуются пузырьки водорода, которые в устройстве-прототипе на первом этапе обработки воды выполняют роль флотореагента совместно с пузырьками водорода, выделяющимися с катода электродов электрофлотации. На втором этапе обработки - электрофлотации - пакет растворимых электродов отключают, так как наряду с необходимыми на этом этапе пузырьками водорода (флотореагентом) продолжалась бы выработка иона алюминия и образование его гидроксида, что делает процесс электрофлотации неэффективным.

Анод электродов электрофлотации выполняют из материалов, которые выделяют в воду лишь атомарный кислород. Как правило, анод электрофлотации изготавливают из электрохимически инертных материалов: платины, графита, титана, покрытого окислами рутения или кобальта (малоизнашиваемые аноды).

Известно, что для борьбы с пассивацией "разработан ряд конструктивных мер, используемых на практике: ультразвуковая очистка электродов, вибрация, встряхивание, высокая скорость воды в межэлектродном пространстве при напорном режиме или за счет рециркуляции, однопоточная схема движения воды, механическая обработка электродов скребками, продувка межэлектродного пространства газом, вращающийся растворимый анод и др. " (С.В. Яковлев и др. "Технология электрохимической очистки воды", с. 119).

Предлагаемые меры существенно усложняют устройства и, кроме того, не имеют четко подтвержденного обоснованного электрохимией теоретического задела. Теоретическая электрохимия отмечает только следующие факторы активирования: восстановление водородом при нагревании, восстановление на катоде электролитическим водородом, хранение активного металла в полном вакууме или в атмосфере водорода, активирование путем механической чистки поверхности пассивного металла (Н.А. Изгарышев, С.В. Горбачев. Курс теоретической электрохимии. М.-Л., ГНТ" хим. лит-ры, 1951, с. 427).

Из перечисленных мер, используемых на практике, требованиям теоретической электрохимии удовлетворяет лишь механическая обработка скребками. По мнению ряда авторов, "не менее эффективным путем активации электродов является переполюсовка, т.е. очистка электрода выделяющимся водородом" (С.В. Яковлев и др. "Технология электрохимической очистки воды" с. 65). Такой прием в течение ограниченного времени может быть эффективным, однако поскольку переполюсовку осуществляют в пакете растворимых электродов, то обе группы пакета (т. е. катоды и аноды) должны быть изготовлены из одного металла (в нашем случае из сплава алюминия). При этом наблюдается пассивация обеих групп пакета, сопровождающаяся существенным падением выхода активного иона алюминия и, в итоге, необходимостью полной замены пакета растворимых электродов. При выполнении катодов пакета растворимых электродов из сплавов железа, а анодов из сплавов алюминия какая-либо переполюсовка становится нежелательной.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение стабильности процессов очистки воды путем активирования (депассиравания) анодов в пакете электродов электрокоагуляции.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для электрохимической очистки воды, содержащем электрохимический реактор, шламосборник, установленный в верхней части реактора, закрывающий верхнее отверстие реактора с возможностью вертикального перемещения обратный конус с положительной плавучестью, а также расположенный в нижней части реактора электродный блок, согласно изобретению электродный блок содержит пакет электродов, выполненный из чередующихся анодов и катодов, при этом аноды выполнены из электрохимически растворимого металла (алюминия или его сплавов), и анод электрофлотации, соединенные через коммутирующее устройство с источником питания и управления, соответственно, при электрокоагуляции с отрицательным полюсом источника питания соединены катоды, а с положительным - аноды пакета электродов, при электрофлотации посредством коммутирующего устройства к положительному полюсу источника питания подключен анод электрофлотации, катоды пакета электродов отключены от источника питания, полярность анодов пакета изменена на противоположную.

Введение вышеуказанных признаков позволяет осуществить необходимые по технологии процессы электролитической коагуляции и электрофлотации и существенно уменьшить пассивацию анодов пакета электродов злектрокоагуляции, что позволяет стабилизировать физико-химические и органолептические свойства обрабатываемой воды на высоком уровне в течение срока, соизмеримого со сроком растворения анодов пакета электродов коагуляции. Каждому этапу обработки воды в установке, реализующей предлагаемое техническое решение, соответствует ряд факторов, способствующих замедлению процессов пассивации анодов пакета электродов электрокоагуляции или их активированию. На первом этапе - электрохимической коагуляции - процесс пассивации в определенной мере зависит от ионного состава обрабатываемой воды. Из теоретической химии известно, что в присутствии в воде достаточного количества ионов хлора (хлоридов) растворение анодов идет практически по закону Фарадея. Однако в большинстве случаев данный фактор не исключает полностью возможность пассивирования анодов пакета электродов электрокоагуляции. Кроме того, замена материала катодов в пакете электродов на более электроположительный по отношению к материалу анодов металл, в соответствии с теорией электрохимической коррозии способствует активированию анодов. Поскольку, как правило, аноды изготавливают из сплавав алюминия, изготовление катодов пакета электродов электрокоагуляции из более электроположительных материалов, чем алюминий (например, сплав железа, никель, медь и пр.) способствует активированию анодов в пакете электродов электрокоагуляции на первом этапе электрохимической обработки воды. На втором этапе электрообработки - электрофлотации - согласно изобретению аноды пакета электродов подключают к отрицательному полюсу источника питания. В результате они становятся катодами группы электродов электрофлотации. В соответствии с законами электрохимии при этом происходит насыщение водородом (наводороживание) указанных электродов, что наряду с вышеописанными факторами является наиболее мощным фактором активирования электродов.

Из уровня техники не выявлено технических решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками настоящего изобретения, поэтому можно считать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 схематически представлено устройство-прототип; на фиг.2 - электродный блок устройства-прототипа; на фиг.3 схематически представлено предлагаемое устройство.

Предлагаемое устройство (фиг.3) также, как и прототип, содержит электрохимический реактор 1 с закрепленным на его верхней части шламосборником 2, при этом на верхнем отверстии электрохимического реактора 1 установлен с возможностью вертикального перемещения обладающий положительной плавучестью обратный конус 3. В нижней части электрохимического реактора 1 расположен электродный блок 4, содержащий пакет электродов электрокоагуляции 5 с катодом 9 и анодом 8 и только анод 11 электрофлотации, соединенные с источником питания и управления 7.

В отличие от прототипа электродный блок 4 содержит три группы электродов, две из которых, аноды 8 и катоды 9, образуют пакет электродов электрокоагуляции, а третью группу электродов представляет анод электрофлотации 11, соединенные через коммутирующее устройство 12 с источником питания и управления 7, соответственно: при электролитической коагуляции с отрицательным полюсом источника питания 7 соединены катоды 9 пакета электродов электрокоагуляции, а с положительным полюсом - аноды 8 пакета электродов, при электрофлотации к положительному полюсу источника питания 7 подсоединен анод электрофлотации 11, катоды пакета электродов отключены от источника питания, а полярность анодов пакета электродов изменена на противоположную.

В работе предлагаемого устройства четко выражены три этапа: на первом этапе заполняют обрабатываемой водой электрохимический реактор 1. Одновременно с его заполнением включают пакет электродов электрокоагуляции 5, причем коммутирующее устройство 12 соединяет с отрицательным полюсом источника питания катоды 9, а с положительным полюсом - аноды 8. Аноды 8 продуцируют ионы, которые образуют коагулянт (гидроксид алюминия). Катоды 9 выделяют пузырьки водорода, которые выполняют роль флотореагента. Таким образом, на первом этапе осуществляется процесс электрофлотокоагуляции в проточном режиме. Заполнение электрохимического реактора 1 заканчивают, когда обрабатываемая вода выходит из его горловины в емкость шламосборника 2 и поднимает обратный конус 3 выше горловины электрохимического реактора 1.

Одновременно с окончанием заполнения реактора 1 и емкости шламосборника 2 отключают пакет электродов электрокоагуляции 5, и коммутирующее устройство 12 отключает катоды 9 пакета электродов, меняет полярность анода 8 пакета электродов, а анод электрофлотации 11 соединяет с положительным полюсом источника питания.

Второй этап электрообработки воды - электрофлотация - протекает в непроточном режиме. При этом происходит наводороживание электродов 8 пакета электродов электрокоагуляции и выделение с них пузырьков водорода, являющегося основным флотореагентом. Наводороживание электродов 8 за период протекания процесса (этапа) электрофлотации активирует указанные электроды, практически полностью исключая явления пассивности металла. В процессе электрофлотации хлопья коагулянта мигрируют в емкость шламосборника 2 к поверхности воды. По истечении экспозиции электрофлотации полностью отключают электродный блок 4. При отключенном питании электродного блока 4 протекает последний этап обработки: слив обработанной воды из электрохимического реактора 1. Слив обработанной воды начинается со сброса шлама из шламосборника 2. При этом обратный конус 3, опускаясь вместе с уровнем воды, выдавливает часть очищенной воды из горловины электрохимического реактора I в емкость шламосборника 2, способствуя уменьшению поступления взвесей на фильтр при заключительном фильтровании. Поскольку стальные электроды 9 и алюминиевые электроды 8 находятся в контакте через электролит (воду), протекают реакции, также способствующие активированию алюминиевого электрода.

По окончании слива обработанной воды цикл обработки повторяют с новой порцией воды.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет поддерживать электроды, осуществляющие электролитическую коагуляцию, в активированном состоянии, задерживая развитие пассивирования, чем достигается поставленная цель - повышение стабильности процессов очистки воды путем активирования анодов в пакете электродов электрокоагуляции.

Для проверки эффективности предложенного технического решения был изготовлен экспериментальный образец устройства, содержащий электрохимический реактор с закрепленной сверху емкостью шламосборника и установленным на горловину реактора обратным конусом с положительной плавучестью, электродный блок которого содержит пакет электродов электрокоагуляции, катоды которого изготовлены из сплава железа (ст. 3), а аноды - из сплава алюминия (АМГ), а также анод электрофлотации, изготовленный из титана, покрытого оксидом кобальта (оксидно-кобальтовый титановый анод - ОКТА). Указанный электродный блок, в соответствии с изобретением, соединен с источником питания и управления коммутирующим устройством, позволяющим соединять электродные группы попарно.

Начальные электрические параметры электродного блока: напряжение на пакете электродов электрокоагуляции - 20 В, сила тока - 4 А, напряжение при электрофлотации 20 В, сила тока - 2 А (соответствует оптимальной величине 6÷7 мА/см²). Проведено более 900 циклов электрообработки. Непрерывно осуществлялся контроль силы тока при электрокоагуляции и электрофлотации. По истечении почти трех месяцев испытаний сила тока на пакете электродов коагуляции и в цепи электрофлотации практически не изменилась.

В другом эксперименте был использован запассивированный пакет электродов электрокоагуляции. Начальная сила тока равнялась 2,5 А. В ходе обработки воды сила тока на пакете электродов электрокоагуляции постепенно возрастала и после трех циклов увеличилась до 4 А. При последующей эксплуатации (более 20 циклов) отмечалась выраженная тенденция к поддержанию максимально возможной силы тока в пакете электродов электрокоагуляции.

Таким образом, проведенные длительные эксперименты подтвердили высокую эффективность предложенного технического решения.

Изобретение относится к области очистки воды, конкретно к устройствам электрохимической очистки питьевой воды, и может быть использовано для улучшения физико-химических и органолептических свойств питьевой воды при доочистке водопроводной воды или в качестве группового средства очистки природных вод. Устройство содержит электрохимический реактор, шламосборник, установленный в верхней части реактора, и обратный конус с положительной плавучестью, закрывающий верхнее отверстие реактора. В нижней части устройства расположен электродный блок, содержащий три группы электродов, две из которых образуют пакет электродов электрокоагуляции. Третья группа представлена анодом электрофлотации. Электроды соединены через коммутирующее устройство с источником питания. Соответственно, при электрокоагуляции с отрицательным полюсом источника питания соединены катоды пакета электродов, а с положительным - аноды. При электрофлотации посредством коммутирующего устройства к положительному полюсу источника питания подключен анод электрофлотации, катоды пакета электродов отключены от источника питания, а полярность анодов пакета изменена на противоположную. Устройство может быть оснащено фильтром заключительного фильтрования. Технический эффект - обеспечение стабильности процессов очистки воды путем депассирования анодов в пакете электродов электрокоагуляции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для электрохимической очистки питьевой воды, содержащее электрохимический реактор, шламосборник, установленный в верхней части реактора, закрывающий верхнее отверстие электрохимического реактора с возможностью вертикального перемещения обратный конус с положительной плавучестью, а также расположенный в нижней части электрохимического реактора электродный блок, отличающееся тем, что электродный блок образован пакетом электродов электрокоагуляции и анодом электрофлотации, соединенными через коммутирующее устройство с источником питания, при этом в случае работы устройства в режиме электрокоагуляции катоды пакета соединены с отрицательным полюсом источника питания, а аноды - с положительным полюсом источника питания, а при работе устройства в режиме электрофлотации посредством коммутирующего устройства к положительному полюсу источника питания подключен анод электрофлотации, катоды пакета электродов отключены от источника питания, а полярность анодов пакета изменена на противоположную. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аноды пакета электродов электрокоагуляции изготовлены из сплавов алюминия, катоды - из более электроположительных по отношению к алюминию материалов, таких, как железо, никель или медь, а анод электрофлотации изготовлен из малоизнашиваемого материала, такого, как платина, графит, титан, покрытый оксидами рутения или кобальта.