СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ДИССОЦИИРОВАННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/48 C02F103/02 

Изобретение относится:
- к теплоэнергетике, где отделенная водная фракция (очищенная деминерализованная вода) может использоваться для питания паровых котлов, а выделившиеся водород и/или кислород как добавка для топлива паровых котлов;
- к химической промышленности, где водная фракция (очищенная деминерализованная вода) и выделившиеся водород и/или кислород могут использоваться в химических процессах;
- к защите окружающей среды, где изобретение может быть использовано для очистки сточных вод химических и гальванических цехов от солей металлов и извлечения их гидроксидов из растворов;
- к транспорту, где выделившийся водород может быть использован как топливо или добавка к основному топливу, а выделившийся кислород как добавка к топливу и/или как окислитель токсичных компонентов отработавших газов энергетических установок транспортных средств.

Если во внешнее электростатическое и/или электромагнитное поле внести нейтральный проводник, то свободные заряды (электроны, ионы) будут перемещаться: положительные по полю, отрицательные - против поля. На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительного заряда, на другом избыток отрицательного. Эти заряды называются индуцированными. Процесс будет происходить до тех пор, пока напряженность поля внутри проводника не станет равной нулю, а линии напряженности вне проводника - перпендикулярными его поверхности. Таким образом, нейтральный проводник, внесенный в электростатическое поле, разрывает часть линий напряженности; они заканчиваются на отрицательных индуцированных зарядах и вновь начинаются на положительных. Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией [1, с. 147].

Это свойство зарядов располагаться на внешней поверхности проводника используется в электростатических генераторах, изобретенных американским физиком Р. Ван-де-Граафом и предназначенных для накопления больших зарядов и достижения разности потенциалов в несколько миллионов вольт [1, с. 148].

Эффект электростатической индукции будет достигнут, если в качестве нейтрального проводника, помещенного в электростатическое поле, используется водный диссоциированный раствор [7, с. 122]. При наложении электромагнитного поля на диссоциированный водный раствор под воздействием сил Лоренца также происходит поперечное разделение ионов разного знака, что сопровождается возникновением разности потенциала [6, с. 133].

Известен способ электрохимической очистки питьевой воды (патент РФ 2043308), включающий ее обработку с использованием пакета растворимых электродов в непроточном режиме с последующим фильтрованием. После отключения электродов воду перемешивают токопроводящим предметом, который заземляют, а фильтрование осуществляют после образования хлопьев коагулята. Перемешивание обработанного раствора токопроводящим заземленным предметом ускоряет процесс укрупнения коагулята не только за счет увеличения числа соударений и ускорения каких-либо реакций, а и за счет снятия электрического заряда с мицелл и их активного слипания.

К недостаткам данного способа можно отнести наличие растворимых электродов и необходимость дополнительного перемешивания раствора заземленным токопроводящим предметом для снятия зарядов с ионов химических элементов, которые при этом выпадают в осадок. Данное устройство неэффективно при промышленной обработке больших объемов.

Также известно устройство для электрохимической обработки воды (патент РФ 2110483) в проточном диафрагменном электролизере для получения воды с окислительными и восстановительными свойствами. Это устройство содержит по крайней мере один проточный диафрагменный электролизер, содержащий рабочую анодную и вспомогательную катодную камеры, снабженные отдельными входными и выходными патрубками, при этом анодная камера снабжена замкнутым циркулярным контуром, образованным трубопроводом, соединяющий выходной и входной патрубки анодной камеры, последний в свою очередь связан трубопроводом подачи воды в анодную камеру с приспособлением для повышения давления воды, подаваемой в анодную камеру, а выходной патрубок анодной камеры соединен трубопроводом, снабженным регулятором давления, с газоотделительной емкостью, которая в верхней своей части соединена со смесителем газ - жидкость, а в нижней - со сливным трубопроводом. В анодную и катодную камеры проточного электролизера подается насыщенный раствор хлорида натрия. После подачи электрического напряжения на анод и катод электролизера под воздействием электрического тока на поверхности анода хлорид-ионы превращаются в хлор, который вместе с кислородом, полученным при электролизе воды, насыщают аналит, выходящий из анодной камеры. Большая часть полученного аналита возвращается в анодную камеру, а меньшая часть аналита с электролизными газами поступает в газоотделительную емкость, из которой можно сливать аналит, а отделенные электролизные газы через смеситель газ-жидкость растворяются в водопроводной воде, которая приобретает окислительные свойства. В катодной камере образуются пузырьки водорода, а каталит, получающийся при обработке воды в катодной камере, насыщается гидроксильными ионами и приобретает восстановительные свойства.

К недостаткам данного устройства можно отнести то, что образование хлора, водорода и кислорода происходит за счет протекания электрического тока. При этом происходит разогрев электролита, а реакции окисления или восстановления, происходящие на электродах, приводят к их электрохимическому разрушению [2, с. 276], а осаждающиеся на электродах соли снижают производительность электролизера. Такой процесс не обеспечивает эффективной коагуляции и осаждения нерастворимых гидроксидов. Эффективность работы данного устройства может управляться только изменением величины напряжения на электродах электролизера.

В качестве прототипа выберем известное устройство для опреснения природной и технологической воды (авторское свидетельство СССР 1430356) с помощью электростатических и магнитных полей. Это устройство содержит винтовой канал, образованный двумя ионными сепараторами в виде цилиндрических поверхностей из капиллярно-пористого или волокнистого диэлектрического материала с радиальным расположением капилляров, пор или волокон и винтовой поверхностью из диэлектрического материала, две цилиндрические стенки устройства из диэлектрического материала с запрессованными в них цилиндрическими металлическими пластинами, цилиндрические разрядные сетки в кольцевых каналах для католита и анолита, образованных цилиндрическими стенками устройства и ионными сепараторами, соленоидальную обмотку на внешней цилиндрической стенке устройства, сердечник из диамагнитного материала, электроизолированные разрядные провода в экранирующих оболочках из ферромагнитного материала, патрубок для ввода опресняемой воды, патрубок для вывода опресненной воды, патрубок для вывода католита и патрубок для вывода анолита.

Известное устройство работает следующим образом.

При движении соленой воды в винтовом канале на катионы и анионы действует сила Лоренца, вызванная поперечным магнитным полем соленоидальной обмотки и поперечным электростатическим полем между цилиндрическими металлическими пластинами, запрессованными в две цилиндрические стенки устройства. Под действием силы Лоренца происходит отклонение катионов и анионов в противоположные стороны к ионным сепараторам. В результате этого поток воды в винтовом канале обедняется ионами обоих знаков, которые при прохождении через поры и капилляры ионных сепараторов попадают в кольцевые каналы для католита и анолита. При контакте с разрядными сетками ионы теряют свои заряды и выводятся через патрубки для отвода католита и анолита вместе с некоторой частью воды. Вследствие наличия ионных сепараторов разряженные ионы не попадают в винтовой канал, так как ионные сепараторы обладают большим гидравлическим сопротивлением, чем соответствующие патрубки.

К недостаткам данного устройства можно отнести то, что устройство работоспособно только при наличии ионных сепараторов, которые кроме функции отделения ионов от опресняемой воды, также образуют каналы для опресняемой воды, католита и анолита. Производительность данного устройства будет зависеть не только от параметров постоянного электрического напряжения, создающего магнитное и электростатическое поля, но и от способности сепараторов пропускать ионы, что в свою очередь накладывает дополнительные требования к материалу сепараторов (расположение и размеры капилляров, пор или волокон).

Заявляемое изобретение направлено на решение следующих задач:
- обеспечить очистку диссоциированных водных растворов (до получения деминерализованной воды);
- выделение из диссоциированных водных растворов солей, кислот и щелочей;
- получение из диссоциированных водных растворов водорода и кислорода;
- получение растворов с анионитными и катионитными свойствами.

При этом обеспечивается обработка водных растворов в промышленных объемах при незначительных энергозатратах.

Решение поставленных задач достигается за счет того, что заявляемое устройство для разделения диссоциированных водных растворов на водную, анионитную и катионитную фракции содержит по крайней мере одну рабочую камеру из диэлектрического химически стойкого материала, разделительный коллектор для отвода полученных фракций, изготовленный из диэлектрического химически стойкого материала, изолированные от разделяемого раствора электроды, создающие электростатическое поле, которые расположены вдоль рабочей камеры и каналов разделительного коллектора для отвода анионитной и катионитной фракций, при этом в эти каналы за пределами зоны разделения потока, но в зоне действия электростатического поля, установлена система электродов для разрядки ионов анионитной и катионитной фракций.

На протекающий водный раствор воздействует электростатическое поле, под воздействием которого анионы и катионы смещаются в стороны соответствующих электродов, которые обеспечивают попадание каждой из полученных фракций в соответствующий канал разделительного коллектора, в котором происходит разрядка ионов анионитной и катионитной фракций через проводник, соединяющий два (или более) электрода, установленных в соответствующих каналах разделительного коллектора, каждый из которых в свою очередь соединен системой трубопроводов с определенной емкостью, которая имеет систему отбора полученной фракции (водной, анионитной или катионитной) для использования или для направления в емкость для загрузки диссоциированного раствора, чтобы через приспособление для обеспечения расхода раствора направлять полученные фракции в рабочую камеру для повторной обработки.

Принципиальная схема заявляемого устройства изображена на чертеже.

Заявляемое устройство состоит из рабочей камеры 1, изготовленной из диэлектрического химически стойкого материала, разделительного коллектора 2, изготовленного из диэлектрического химически стойкого материала и установленного на выходе из рабочей камеры, электродов (катод 3 и анод 4), расположеных вдоль рабочей камеры и каналов разделительного коллектора для отвода анионитной и катионитной фракций, и системы электродов 5 для разрядки ионов анионитной и катионитной фракций, которые установлены в соответствующие каналы разделительного коллектора 2. Каждый канал разделительного коллектора 2 соединен трубопроводом с соответствующей емкостью: для сбора катионита и отделения водорода 6, для сбора анионита и отделения кислорода 7 и для сбора деминерализованной воды 8. Емкость 6 кроме системы отделения газов оборудована системой извлечения осадка 9 с запорным краном 10. Каждая из емкостей 6, 7 и 8 имеет системы отбора полученных фракций, состоящие из трехходовых кранов 11, 12 и 13, устройств для обеспечения транспортировки фракций 14, 15 и 16, трубопроводов для слива катионита 17, анионита 18 и деминерализованной воды 19 заданных концентраций, а также трубопроводы 20, 21 и 22, которые соединяют емкости для сбора фракций с емкостью для загрузки 23, из которой через приспособление для обеспечения расхода 24 диссоциированный раствор направляется в рабочую камеру 1.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На протекающий через рабочую камеру 1 и разделительный коллектор 2 поток диссоциированного водного раствора воздействует электростатическое поле, образованное между электродами (катодом 3 и анодом 4) общеизвестными электротехническими системами. Так как корпус рабочей камеры 1 изготовлен из диэлектрического химически стойкого материала и электроды 3 и 4 изолированы от диссоциированного раствора, то между электродами электрический ток не протекает.

Под воздействием электростатического и/или электромагнитного поля в диссоциированном растворе происходит разделение ионов. Гидроксиды диссоциируют либо по типу кислоты R-O-H-->RO^-+H⁺, либо по типу основания R-O-H-->R⁺+ОН^-. При этом катионы смещаются к катоду 3, а анионы - к аноду 4 и создается электрический потенциал. Это разделение обеспечивает каждой из полученных фракций попадание в соответствующий канал разделительного коллектора 2, который так же, как и корпус рабочей камеры 1, изготовлен из диэлектрического химически стойкого материала.

Аналогичный эффект поперечного разделения ионов разного знака, сопровождающегося возникновением разности потенциалов, произойдет, если вместо электростатического поля, образованного электродами 3 и 4, на протекающий водный раствор будет воздействовать электромагнитное поле, образованное электромагнитной катушкой (или системой таких катушек).

Для обеспечения большей эффективности разделения ионов возможно сочетание воздействия на раствор электростатического и электромагнитного полей.

Величина напряженности создаваемого электростатического и/или электромагнитного поля, необходимая для осуществления процесса разделения, находится в зависимости от концентрации и природы растворенных веществ, а также от конструктивных особенностей устройства.

Для увеличения эффективности разделения ионов характер потока раствора следует выбирать ламинарным.

Полученные при разделении ионов водная, катионитная и анионитная фракции протекают в соответствующих каналах разделительного коллектора 2. При этом за пределами зоны разделения, но в зоне действия электростатического поля в коллекторе 2 происходит разрядка ионов анионитной и катионитной фракций через проводник, соединяющий электроды 5, установленные в каналах для протекания катионитной и анионитной фракций. В результате этого катионы превращаются в атомы соответствующих элементов, а аниониты в кислотные остатки или неустойчивую гидроксильную группу ОН.

Водород свободно выделяется из катионитной фракции, а атомы металлов превращаются в гидроксиды с выделением водорода. Например:
К⁺+е^-=К; 2К+2Н₂O=2КОН+Н₂
Катионитная фракция из разделительного коллектора 2 попадает в емкость для сбора катионита 6, из которой происходит отбор водорода, а нерастворимые гидроксиды выпадают в осадок и легко могут быть извлечены из раствора через систему извлечения осадка 9.

Растворимые в катионитной фракции гидроксиды в случае их малой концентрации могут быть подвергнуты повторной обработке, для чего из емкости 6 по трубопроводу 20 направляются в емкость для загрузки диссоциированного раствора 23, или после достижения необходимой концентрации извлекаются из емкости 6 через сливной трубопровод 17.

Аниониты, которые в результате разрядки на электродах 5 превращаются в кислотные остатки, взаимодействуя с водой, образуют кислоты с выделением кислорода. Например:
SO₄ ^2--2е^-=SO₄; 2SO₄+2H₂O=2H₂SO₄+О₂
Аниониты гидроксильной группы превращаются в воду и кислород.

Анионитная фракция из разделительного коллектора 2 попадает в емкость для сбора анионита 7 из которой происходит отбор кислорода, а кислый раствор анионитной фракции в случае его малой концентрации может быть подвергнут повторной обработке, для чего из емкости 7 по трубопроводу 21 направляется в емкость для загрузки диссоциированного раствора 23, или после достижения необходимой концентрации извлекается из емкости 7 через сливной трубопровод 18.

В результате осуществления вышеописанных процессов кроме катионитной и анионитной фракций получается еще и водная фракция, свободная от солей, кислот и щелочей - деминерализованная вода.

Водная фракция из разделительного коллектора 2 попадает в емкость для сбора деминерализованной воды 8, из которой вода в случае недостаточной деминерализации может быть направлена на повторную обработку по трубопроводу 22 или при достижении необходимой степени деминерализации извлекается из емкости 8 через сливной трубопровод 19.

В качестве устройств для транспортировки полученных фракций 14, 15 и 16 из емкостей 6, 7 и 8 в емкость для загрузки 23 в заявленном устройстве могут использоваться различные приспособления и технические устройства, которые обеспечивают эту транспортировку, например центробежные насосы.

Необходимую скорость прохождения диссоциированного раствора через рабочую камеру 1 обеспечивает приспособление 24, в качестве которого может быть использован или насос, соединенный с емкостью для загрузки 23, или герметичная емкость с этим раствором, в которой создается избыточное давление сжатым воздухом, или емкость для загрузки диссоциированного раствора, установленная на большей высоте относительно рабочей камеры 1.

Для очистки диссоциированных растворов от нерастворимых загрязнений перед загрузочной емкостью может быть установлен фильтр.

Для снижения удельных энергозатрат на создание более мощного электростатического и/или электромагнитного поля в рабочей камере могут быть использованы более одной пары электродов и/или электромагнитных катушек, при этом каждая пара может иметь свое электротехническое устройство для получения электрического напряжения.

Повышение эффективности разрядки ионов анионита и катионита может быть достигнуто за счет заземления системы электродов для разрядки ионов.

Увеличение площади электродов для разрядки ионов может быть получено за счет того, что в качестве системы электродов будет использован коллектор из токопроводящего материала, который может быть заземлен.

Если нет потребности в водной фракции (деминерализованная вода), то в этом случае разделительный коллектор будет иметь два канала: для анионитной и для катионитной фракций, а из устройства для разделения диссоциированных растворов исключаются элементы для транспортировки и сбора воды.

Источники информации
1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1990, с. 128-217.

2. Харин А.Н., Катаева Н.А., Харина Л.Т. Курс химии. - М.: Высшая школа, 1983, с. 183-207, 235-286.

3. Павлов Л. Т. Теоретические основы общей химии. - М.: Высшая школа, 1978, с. 223-257.

4. Курс общей химии; под общ. редакцией Н.В.Коровина. - М.: Высшая школа, 1990, с. 207, 378-381.

5. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для ВУЗов по специальности "Двигатели внутреннего сгорания"; под общ, редакцией А. С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1985, с. 233-240.

6. Классен В.И. Омагничивание водных систем. - М.: Химия, 1982, с. 133.

7. Давидзон М.И. Электромагнитная обработка водных систем в текстильной промышленности. - М.: Легпромбытиздат, 1988, с. 122.

Изобретение относится к разделению диссоциированных водных растворов и может использоваться в теплоэнергетике, в химической промышленности, в защите окружающей среды и на транспорте. Способ включает обработку водных растворов электростатическим и/или электромагнитным полем. Каждая из полученных фракций поступает из рабочей камеры в канал разделительного коллектора, который установлен последовательно за рабочей камерой за пределами зоны разделения потока. В каналах коллектора установлены электроды для разрядки ионов анионитной и катионитной фракций. Технический результат состоит в обработке водных растворов в промышленных объемах при незначительных энергозатратах. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения диссоциированных водных растворов на анионитную и катионитную фракции, под воздействием электростатического и/или электромагнитного поля, при котором каждая из полученных фракций, образованная из-за смещения анионов и катионов в стороны соответствующих изолированных от разделяемого раствора электродов и/или электромагнитных катушек, попадает из рабочей камеры в соответствующий канал разделительного коллектора, отличающийся тем, что разрядка ионов анионитной и катионитной фракций через систему электродов происходит в последовательно установленном за рабочей камерой разделительном коллекторе за пределами зоны разделения потока. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диссоциированный водный раствор разделяется на водную, анионитную и катионитную фракции. 3. Устройство для разделения диссоциированных водных растворов на анионитную и катионитную фракции, содержащее по крайней мере одну рабочую камеру из диэлектрического химически стойкого материала, разделительный коллектор для отвода полученных фракций, изготовленный из диэлектрического химически стойкого материала, электроды и/или электромагнитные катушки для образования электростатического и/или электромагнитного поля, отличающееся тем, что разделительный коллектор последовательно установлен за рабочей камерой и изолированные от разделяемого раствора электроды, создающие электростатическое поле, и/или электромагнитные катушки, создающие электромагнитное поле, расположены вдоль рабочей камеры и каналов разделительного коллектора для отвода анионитной и катионитной фракций, при этом в эти каналы за пределами зоны разделения потока установлена система электродов для разрядки ионов анионитной и катионитной фракций. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что рабочая камера разделена горизонтальными перегородками для создания ламинарного потока и придания жесткости конструкции камеры. 5. Устройство по одному из пп. 3 и 4, отличающееся тем, что разделительный коллектор имеет каналы для водной, анионитной и катионитной фракций. 6. Устройство по одному из пп. 3 - 5, отличающееся тем, что устройство имеет емкость для загрузки разделяемого раствора, емкости для сбора полученных фракций и приспособление для обеспечения расхода раствора через рабочую камеру, а также систему трубопроводов и устройства для транспортировки и отбора полученных фракций, их перекачки для повторной обработки из емкостей для сбора в емкость для загрузки и систему извлечения осадков из емкости для сбора катионитной фракции. 7. Устройство по одному из пп. 3 - 6, отличающееся тем, что для создания электростатического и/или электромагнитного поля используется более одной пары электродов и/или электромагнитных катушек, каждая из которых может иметь отдельный электротехнический источник электрического напряжения. 8. Устройство по одному из пп. 3 - 7, отличающееся тем, что в качестве системы электродов для разрядки ионов используется разделительный коллектор из токопроводящего материала, имеющий изоляцию от электродов и/или электромагнитных катушек для образования электростатического и/или электромагнитного поля. 9. Устройство по одному из пп. 3 - 8, отличающееся тем, что система электродов для разрядки ионов заземляется.