СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕЗИНФИЦИРУЮЩЕГО РАСТВОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к области прикладной электрохимии и может быть использовано во всех областях техники, в которых требуется применение дезинфицирующих растворов, в частности в медицине, в пищевой промышленности и др.

Предшествующий уровень техники
В настоящее время в различных областях техники и, в частности, в области водоподготовки, широко применяются дезинфицирующие водные растворы, содержащие соединения активного хлора, полученные химическим путем [1].

Недостатком известных решений является низкая дезинфицирующая способность, повышенные требования к технике безопасности, применение реагентов, иногда токсичных.

Подобных недостатков лишены электрохимические методы получения таких растворов, позволяющие упростить процесс приготовления, сократить число реагентов.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ, реализуемый в известном устройстве для получения дезинфицирующих растворов путем электрохимической обработки растворов хлоридов щелочных металлов последовательно в катодной и анодной камерах диафрагменного электрохимического реактора, причем после обработки в катодной камере из обработанного раствора удаляют часть обработанного потока вместе с электролизными газами [2].

Устройство для получения этих растворов содержит реактор, выполненный по крайней мере из одного электрохимического модульного элемента, представляющего собой компактный диафрагменный электролизер с вертикальными цилиндрическими электродами и цилиндрической же керамической диафрагмой, разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры со входом в нижней и выходом в верхней частях ячейки. Электроды и диафрагма коаксиально установлены в диэлектрических втулках. Линия подачи исходного раствора соединена со входом катодной камеры, а на линии перетока из катодной в анодную камеру установлено приспособление для отделения части потока и газов, выполненное, например, в виде сепаратора с тангенциальным вводом. Обработка осуществляется при однократном протоке обрабатываемого раствора снизу верх параллельно через катодную и анодную камеры.

Применение известного технического решения позволяет получить растворы со сравнительно высокой дезинфицирующей и стерилизующей способностью и в то же время обладающие значениями рН, близкими к нейтральным, - так называемые анолиты АНК.

Недостатком известного решения является недостаточно глубокое удаление из исходного раствора ионов тяжелых и щелочноземельных металлов, что ухудшает качество получаемого дезинфицирующего раствора: снижает его дезинфицирующую способность, сокращает срок годности растворов, так как ускоряет деградацию оксидантов и одновременно стимулирует развитие коррозии при соприкосновении раствора с поверхностью металлов. Это в свою очередь накладывает ограничения на область его применения. В известном решении высокая дезинфицирующая способность раствора пропорциональна его коррозионной агрессивности за счет каталитического действия содержащихся в растворе ионов тяжелых и щелочноземельных металлов и требует повышенных мер безопасности при его использовании. Кроме того, недостатками являются сравнительно высокий расход электроэнергии на получение дезинфицирующего раствора и необходимость удаления сравнительно большого количества катодно обработанного раствора для получения рН конечного продукта - анолита - близкого к нейтральному значению рН 7. Удаляемый католит не всегда может найти применение и иногда просто сливается, что приводит к перерасходу реагентов. Также недостатком известного решения является сравнительная сложность регулирования характеристик раствора посредством изменения количества удаляемого католита, поскольку регулирующие устройства забиваются частичками гидроксидов металлов.

Раскрытие изобретения
Техническим результатом использования настоящего изобретения является обеспечение возможности глубокого удаления ионов тяжелых и щелочноземельных металлов из получаемого раствора, и, следовательно, расширение области его применения, снижение коррозионной активности дезинфицирующих растворов при повышении их дезинфицирующей и стерилизующей способности, снижение расхода электроэнергии на получение этих растворов, а также расширение функциональных возможностей технического решения за счет повышения срока их годности и обеспечения возможности более эффективного регулирования свойств получаемых растворов во время электрохимической обработки, снижение эксплуатационных затрат.

Указанный результат достигается тем, что в способе получения дезинфицирующего раствора - нейтрального анолита АНК - путем обработки исходного водного раствора хлорида натрия в катодной камере основного диафрагменного электрохимического реактора с последующим разделением потока обработанного раствора на две части, одна из которых выводится из цикла обработки в дренаж, а другая подается на обработку в анодную камеру того же реактора, после обработки в катодной камере основного реактора и перед разделением поток последовательно обрабатывается в катодной и анодной камерах дополнительного диафрагменного электрохимического реактора, причем при обработке в основном и дополнительном реакторах обрабатываемый раствор в катодных камерах движется прямотоком или противотоком по отношению к направлению движения раствора в анодных камерах.

При обработке в катодной камере дополнительного реактора за счет повышения рН на 13-17% увеличивается глубина извлечения из исходного раствора ионов тяжелых и щелочноземельных металлов, которые отделяются на стадии разделения раствора на два потока. Снижение рН и синтез оксидантов происходят в анодных камерах дополнительного и основного реакторов, причем в анодной камере дополнительного реактора обрабатывается весь поток исходного раствора, поступившего на обработку, а в анодной камере основного реактора обрабатывается часть этого потока. Такая ступенчатая обработка позволяет интенсифицировать процесс синтеза оксидантов и позволяет снизить количество раствора, отправляемого в дренаж. Интенсификация синтеза оксидантов достигается за счет того, что в основной реактор (при работе реакторов на параллельных потоках) в электродные камеры поступают потоки, имеющие более низкую разницу значений рН, чем по известному способу. Усилить этот эффект можно при направлении потоков в основном и дополнительном реакторах противотоком, что еще более снижает разницу в значениях рН и позволяет как интенсифицировать процесс, так и сократить количество раствора, направляемого в дренаж.

При проведении обработки в основном и дополнительном реакторах с прямотоком движения раствора в электродных камерах концентрация хлорида натрия в исходном растворе может быть 1,0-5,0 г/л, при этом часть потока, выводимая из цикла обработки, составляет 2-5%. При обработке в основном и дополнительном реакторах с противотоком движения раствора в электродных камерах концентрация хлорида натрия в исходном растворе может быть 0,2-2,0 г/л, при этом часть потока, выводимая из цикла обработки, составляет 0,5-3,0%.

При меньшей концентрации хлорида и меньшей доле выводимой части раствора не обеспечивается необходимая степень дезинфицирующей способности растворов, а при больших значениях возрастает концентрация активного хлора в растворе, что приводит к повышению коррозионной активности и сужает область применения.

Указанный выше технический результат достигается также использованием устройства для получения дезинфицирующего раствора по изобретению. Устройство содержит основной и дополнительный электрохимические реакторы с установленными в них электродами и диафрагмами, разделяющими межэлектродное пространство каждого реактора на анодную и катодную камеры, линию подачи исходного раствора, соединенную со средствами ввода раствора в катодную камеру основного реактора, линию перетока, соединяющую средства вывода раствора из катодной камеры основного реактора со средствами ввода раствора в анодную камеру основного реактора, приспособление для обеспечения возможности разделения потока обрабатываемого раствора на две части и вывода одной части из цикла обработки, установленное на линии перетока, и линию вывода полученного дезинфицирующего раствора, соединенную со средствами вывода раствора из анодной камеры основного реактора, причем дополнительный реактор установлен на линии перетока перед приспособлением для разделения потока таким образом, что средства вывода раствора из катодной камеры основного реактора соединены со средствами ввода раствора в катодную камеру дополнительного реактора, средства вывода раствора из анодной камеры дополнительного реактора соединены с приспособлением для разделения потока на части, и дополнительный реактор снабжен дополнительной линией перетока, соединяющей вывод катодной камеры дополнительного реактора со входом анодной камеры дополнительного реактора.

Реакторы устройства могут быть выполнены по модульному принципу, содержать одну или несколько электрохимических ячеек. В этом случае предпочтительно использовать такую конструкцию ячеек, которая обеспечивала бы возможность отключения и подключения необходимого числа ячеек. Например, в устройстве основной и дополнительный электрохимические реакторы могут быть выполнены каждый из одного или нескольких вертикальных электрохимических проточных модульных элементов с установленными коаксиально в элементах цилиндрическими электродами и цилиндрической диафрагмой, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, средства ввода раствора и вывода раствора анодной и катодной камер основного и дополнительного реакторов выполнены в виде патрубков, причем патрубки ввода анодной и катодной камер расположены в нижней части модульного элемента, а патрубки вывода - в верхней его части, или патрубок ввода одной из электродных камер расположен в нижней части модульного элемента, а патрубок ввода другой электродной камеры модульного элемента - в верхней его части, и, соответственно, патрубки вывода этих камер расположены в верхней и нижней частях модульного элемента.

Такое выполнение обеспечивает компоновку реактора требуемой производительности из однотипных ячеек, и в зависимости от требований решаемой задачи, в частности от концентрации исходного раствора и водных ресурсов, работу устройства при разном режиме протока обрабатываемой среды через электродные камеры - прямотоком или противотоком,
При реализации изобретения целесообразно использовать проточные электрохимические реакторы, описанные в патенте РФ 2078737 или патенте США 5635040. Эти реакторы представляют собой компактные диафрагменные электролизеры, выполненные из вертикальных цилиндрического и стержневого электродов, коаксиально установленных в диэлектрических втулках, керамической диафрагмы, также коаксиально установленной во втулках между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры, причем камеры имеют вход в нижней и выход в верхней частях ячейки. Электролизеры выполнены по модульному принципу, что позволяет реализовать способ с обеспечением заданной производительности.

Краткое описание фигур
На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего способ с прямоточным движением обрабатываемой среды в электродных камерах, а на фиг.2 - с противоточным.

Устройство для получения анолита нейтрального - АНК (фиг.1) состоит из основного диафрагменного проточного электрохимического реактора 1 (далее - РПЭ или, в английской транскрипции, - RPE), представляющего собой либо единичный диафрагменный проточный электрохимический модульный элемент (далее - ПЭМ или, в английской транскрипции, - РЕМ), либо блок этих элементов, соединенных гидравлически параллельно; диафрагма 2 разделяет межэлектродное пространство на катодную 3 и анодную 4 камеры. Устройство также содержит дополнительный реактор 5, диафрагма 6 которого разделяет межэлектродное пространство на катодную 7 и анодную 8 камеры. Кроме того, устройство содержит линию подачи исходного раствора 9, линии перетока 10, 11 и 12, из которых линия 10 соединяет выход катодной камеры 3 основного реактора 1 со входом катодной камеры 7 дополнительного реактора 2, линия 11 соединяет выход катодной камеры 7 дополнительного реактора 2 со входом анодной камеры 8 того же реактора 2, линия 12 соединяет выход анодной камеры 8 дополнительного реактора 2 со входом анодной камеры 4 реактора 1. На линии перетока 12 установлено приспособление 13 для отвода части обработанного раствора, и это приспособление соединено с линией слива в дренаж 14. Также устройство содержит линию 15 вывода целевого продукта - дезинфицирующего раствора анолита АНК, которая соединена с выходом анодной камеры 4 реактора 1.

Способ осуществляется и устройство работает следующим образом.

Исходный раствор требуемой концентрации по линии 9 поступает на вход катодной камеры 3 реактора 1 (см. фиг.1). После однократного прохождения через катодную камеру 3 (фиг.1) раствор подщелачивается до значений рН 9,5-9,8, что приводит к выделению в виде нерастворимых гидроокисей 78-80% растворенных металлов. Обработанный в катодной камере 3 реактора 1 раствор вместе с электролизными газами и нерастворимыми примесями поступает по линии перетока 10 на вход катодной камеры 7 ректора 2. После обработки в катодной камере 7 значения рН раствора повышаются до 10,9-11,0, что позволяет выделить еще 13-15% растворимых металлов. Далее по линии 11 поток поступает на обработку в анодную камеру 8 реактора 2, в котором происходит частичная нейтрализация значений рН, на величину, которая не приводит к обратному растворению выделившихся в нерастворимую форму примесей металлов. Из анодной камеры 8 реактора 2 по линии 12 обработанный раствор поступает в приспособление 13, в котором происходит отделение взвешенных частиц гидроокиси металлов и электролизных газов. Приспособление 13 может быть выполнено, например, в виде герметичного цилиндрического флотационного реактора с тангенциальным вводом, причем из верхней части реактора удаляется флотошлам с частью потока раствора и по линии 14 направляется в дренаж. Из нижней части флотационного реактора отводится осветленный поток. Таким образом, в приспособлении 13 происходит разделение потока обрабатываемой среды на две части, одна из которых в количестве 2-5% выводится из цикла обработки, а другая подается по линии 12 на вход анодной камеры 4 реактора 1. При обработке в анодной камере 4 значения рН снижаются до нейтральных (порядка 7) и полученный раствор по линии 15 подается потребителю.

В зависимости от условий решаемой задачи может применяться как прямоточный проток обрабатываемой среды в электродных камерах (фиг.1), так и противоточный (фиг. 2). Переключение гидравлических схем осуществляется специальным соединением электродных камер реакторов 1 и 2 гидравлическими линиями 10, 11 и 12.

Так, например, при вертикальном выполнении электрохимических ячеек, соединенных в реактор, вход как в анодные, так и в катодные камеры расположен в нижней части реакторов, а выход из анодных и катодных камер - в верхней. Схема подключения таких реакторов по принципу прямотока показана на фиг.1.

Если же расположение входа и выхода электродных камер реакторов иное, то схема их подключения по принципу противотока показана на фиг.2.

В режиме противотока устройство работает следующим образом.

Исходный раствор требуемой концентрации по линии 9 поступает на вход катодной камеры 3 реактора 1 (см. фиг.2). После однократного прохождения через катодную камеру 3 (фиг.1) раствор подщелачивается до значений рН более 10, что приводит к выделению в виде нерастворимых гидроокисей 80-82% растворенных ионов тяжелых и щелочноземельных металлов. Обработанный в катодной камере 3 реактора 1 раствор вместе с электролизными газами и нерастворимыми примесями поступает по линии перетока 10 на вход катодной камеры 7 ректора 2. После обработки в катодной камере 7 значения pH раствора повышаются до значений более 11,0, что позволяет выделить еще 15-17% растворимых металлов. Далее по линии 11 поток поступает на обработку в анодную камеру 8 реактора 2, в котором происходит частичная нейтрализация значений рН, на величину, которая не приводит к обратному растворению выделившихся в нерастворимую форму примесей металлов. Из анодной камеры 8 реактора 2 по линии 12 обработанный раствор поступает в приспособление 13, в котором происходит отделение взвешенных частиц гидроокиси металлов и электролизных газов. Приспособление 13 может быть выполнено, например, в виде герметичного цилиндрического флотационного реактора с тангенциальным вводом, причем из верхней части реактора удаляется флотошлам с частью потока раствора и по линии 14 направляется в дренаж. Из нижней части флотационного реактора отводится осветленный поток. Таким образом, в приспособлении 13 происходит разделение потока обрабатываемой среды на две части, одна из которых в количестве 0,5-3,0% выводится из цикла обработки, а другая подается по линии 12 на вход анодной камеры 4 реактора 1. При обработке в анодной камере 4 значения рН снижаются до нейтральных (порядка 7) и полученный раствор по линии 15 подается потребителю.

Варианты осуществления изобретения
Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможных вариантов осуществления способа.

Во всех примерах использовались электрохимические реакторы по патенту РФ 2078737, так называемые проточные электрохимические модульные элементы (элементы ПЭМ) с коаксиально установленными цилиндрическим и стрежневым электродами и коаксиально же установленной между ними ультрафильтрационной диафрагмой из керамики на основе смеси окислов циркония, алюминия и иттрия (соответственно 60, 37 и 3 мас.%) и толщиной 0,7 мм. В качестве электродов использовались титан с покрытием из смеси оксидов рутения и иридия (анод) и титан с пироуглеродным покрытием (катод). Длина рабочей камеры реактора (элемента ПЭМ) составляла 200 мм, а объемы электродных камер: 10 мл - катодной камеры и 7 мл - анодной. Каждая из электрохимических систем содержала по два элемента ПЭМ. В устройстве по прототипу электродные камеры элементов ПЭМ были соединены гидравлически параллельно, в устройствах по изобретению - в соответствии с гидравлическими схемами на фиг.1 и 2.

Результаты сравнительных испытаний электрохимических систем по прототипу и настоящему изобретению приведены в нижеследующей таблице.

Промышленная применимость
По сравнению с известным решением изобретение позволяет обеспечить возможность глубокого удаления ионов тяжелых и щелочноземельных металлов из получаемого раствора, и, следовательно, расширить области его применения, снизить коррозионную активность дезинфицирующих растворов при повышении их дезинфицирующей и стерилизующей способности, снизить расходы электроэнергии на получение этих растворов, а также расширить функциональные возможности технического решения за счет обеспечения возможности стабильного и надежного регулирования свойств получаемых растворов непосредственно во время электрохимической обработки при одновременном снижении эксплуатационных затрат и повышении срока годности получаемых растворов.

Источники информации
1. Л. А. Кульский и др. "Технология очистки природных вод". - Киев: Высшая школа, 1981, стр.22-25.

2. Патент России 2088539, C 02 F 1/46. опубл. 1997 (прототип).

Изобретение относится к области прикладной электрохимии и может быть использовано во всех областях техники, в которых требуется применение дезинфицирующих растворов, в частности в медицине, в пищевой промышленности и др. Дезинфицирующий раствор получают обработкой исходного водного раствора хлорида натрия в катодной камере основного диафрагменного электрохимического реактора. Поток обработанного раствора разделяют на две части, одну из которых выводят из цикла обработки, а другую подают на обработку в анодную камеру того же реактора. После обработки в катодной камере основного реактора и перед разделением поток последовательно обрабатывают в катодной и анодной камерах дополнительного диафрагменного электрохимического реактора, причем при обработке в основном и дополнительном реакторах обрабатываемый раствор в катодных камерах движется прямотоком или противотоком по отношению к направлению движения раствора в анодных камерах. При обработке прямотоком концентрация хлорида натрия в исходном растворе составляет 1,0-5,0 г/л, а часть потока, выводимая из цикла обработки, составляет 2-5%, а при обработке противотоком, соответственно, 0,2-2,0 г/л и 0,5-3,0%. Технический эффект - глубокое удаление ионов тяжелых и щелочноземельных металлов из получаемого раствора, и, следовательно, расширение области его применения, снижение коррозионной активности дезинфицирующих растворов при повышении их дезинфицирующей и стерилизующей способности, снижение расхода электроэнергии на получение этих растворов, а также расширение функциональных возможностей технического решения за счет повышения срока их годности и обеспечения возможности более эффективного регулирования свойств получаемых растворов во время электрохимической обработки, снижение эксплуатационных затрат. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ получения дезинфицирующего раствора, включающий обработку исходного водного раствора хлорида натрия в катодной камере основного диафрагменного электрохимического реактора, разделение потока обработанного раствора на две части, одну из которых выводят из цикла обработки, а другую подают на обработку в анодную камеру того же реактора, отличающийся тем, что после обработки в катодной камере основного реактора и перед разделением, поток последовательно обрабатывают в катодной и анодной камерах дополнительного диафрагменного электрохимического реактора, причем при обработке в основном и дополнительном реакторах обрабатываемый раствор в катодных камерах подают прямотоком или противотоком по отношению к направлению движения раствора в анодных камерах. 2. Способ получения дезинфицирующего раствора по п.1, отличающийся тем, что при обработке в основном и дополнительном реакторах обрабатываемый раствор в катодных камерах подают прямотоком по отношению к направлению движения раствора в анодных камерах, концентрация хлорида натрия в исходном растворе составляет 1,0-5,0 г/л, при этом часть потока, выводимая из цикла обработки, составляет 2-5%. 3. Способ получения дезинфицирующего раствора по п.1, отличающийся тем, что при обработке в основном и дополнительном реакторах обрабатываемый раствор в катодных камерах подают противотоком по отношению к направлению движения раствора в анодных камерах, концентрация хлорида натрия в исходном растворе составляет 0,2-2,0 г/л, при этом часть потока, выводимая из цикла обработки, составляет 0,5-3,0%. 4. Устройство для получения дезинфицирующего раствора, содержащее основной электрохимический реактор с установленными в нем электродами и диафрагмой, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, линию подачи исходного раствора, соединенную со средствами ввода раствора в катодную камеру основного реактора, линию перетока, соединяющую средства вывода раствора из катодной камеры основного реактора со средствами ввода раствора в анодную камеру основного реактора, приспособление для обеспечения возможности разделения потока обрабатываемого раствора на две части и вывода одной части из цикла обработки, установленное на линии перетока, и линию вывода полученного дезинфицирующего раствора, соединенную со средствами вывода раствора из анодной камеры основного реактора, отличающееся тем, что устройство содержит дополнительный электрохимический реактор с установленными в нем электродами и диафрагмой, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, причем дополнительный реактор установлен на линии перетока перед приспособлением для разделения потока таким образом, что средства вывода раствора из катодной камеры основного реактора соединены со средствами ввода раствора в катодную камеру дополнительного реактора, средства вывода раствора из анодной камеры дополнительного реактора соединены с приспособлением для разделения потока на части, и дополнительный реактор снабжен дополнительной линией перетока, соединяющей вывод катодной камеры дополнительного реактора со входом анодной камеры дополнительного реактора. 5. Устройство для получения дезинфицирующего раствора по п.4, отличающееся тем, что основной и дополнительный электрохимические реакторы выполнены каждый из одного или нескольких вертикальных электрохимических проточных модульных элементов с установленными коаксиально в элементах цилиндрическими электродами и цилиндрической диафрагмой, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, средства ввода раствора и вывода раствора анодной и катодной камер основного и дополнительного реакторов выполнены в виде патрубков, причем патрубки ввода анодной и катодной камер расположены в нижней части модульного элемента, а патрубки вывода - в верхней его части, или патрубок ввода одной из электродных камер расположен в нижней части модульного элемента, а патрубок ввода другой электродной камеры модульного элемента - в верхней его части, и, соответственно, патрубки вывода этих камер расположены в верхней и нижней частях модульного элемента.