УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2005 года по МПК C02F1/461 C02F103/04 

Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды и водных растворов, и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды, а также получения моющих и дезинфицирующих растворов.

Известны устройства для электрохимической обработки воды и водных растворов, содержащие вертикально расположенные коаксиальные цилиндрический и стержневой электроды, разделенные керамической диафрагмой, и закрепленные в диэлектрических втулках, снабженных отверстиями для ввода и вывода воды в электродные камеры. Часть из них представляет собой устройства, в которых цилиндрический электрод является катодом, а расположенный внутри него стержневой электрод-анодом (RU 2145940, RU 2142427, RU 2142426, RU 2084408, US 6004439). Недостатком этих устройств, с таким расположением электродов, является относительно низкая поверхность анода по отношению к поверхности катода и, как следствие, повышенная плотность тока, что приводит к ускоренному износу анодного покрытия и снижению срока службы анода, и следовательно, к увеличению затрат, связанных с его заменой.

В других устройствах для электрохимической обработки воды и водных растворов анодом является цилиндрический электрод, а катодом - расположенный внутри него стержневой электрод (RU 2038322, US 5427667 и GB 2253860). При таком расположении катода и анода последний имеет значительно большую поверхность по отношению к катоду и, следовательно, меньшую плотность тока. Из практики известно, что скорость разрушения защитного покрытия анода пропорциональна плотности тока. Следовательно, срок службы анода, обладающего большей поверхностью, будет больше, а затраты, связанные с его заменой, меньше. Такое расположение катода и анода, при всех прочих равных условиях, является более экономичным.

Наиболее близким из известных аналогов по технической сущности и достигаемому результату является устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов (US 5427667), содержащее коаксиально расположенные трубчатый и стержневой электроды, первый из которых является анодом, а второй - катодом, закрепленные в вертикальном положении в диэлектрических втулках и разделенные трубчатой керамической диафрагмой с образованием анодной и катодной электродных камер, изолированных друг от друга нижней и верхней кольцевыми прокладками, расположенными соответственно на нижнем и верхнем концах трубчатого анода и контактирующими своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью стенки трубчатой керамической диафрагмы, а в нижней и верхней концевых частях трубчатого анода расположены соответственно подводящие и отводящие отверстия анодной камеры.

Недостатком известного устройства является высокая стоимость его изготовления и эксплуатации. Внутренний электрод, являющийся катодом, изготовлен с рабочей поверхностью переменного сечения, так что диаметр его центральной части, ограниченной входными и выходными отверстиями анодной камеры, больше диаметра его концевых частей. Такая конструкция катода, с одной стороны, требует его механической обработки на достаточно большую длину, что значительно увеличивает затраты на его изготовление и снижает коэффициент использования металла. С другой стороны, это создает увеличенные зазоры между анодом и катодом около оконечных частей диафрагмы, что способствует увеличению электрического сопротивления устройства и повышению эксплуатационных затрат, связанных с перерасходом электроэнергии. Кроме этого, керамическая диафрагма в известном устройстве выполнена ультрафильтрационной и изготовлена из материала на основе оксида циркония. Однако ультрафильтрационная диафрагма обладает достаточно высоким электрическим сопротивлением из-за малого размера пор, а циркониевое сырье для ее изготовления является дорогостоящим. Другим недостатком известного устройства является неэффективное использование поверхности керамической диафрагмы, вызванное тем, что, с одной стороны, длина анода меньше длины диафрагмы, а с другой, - уплотняющие прокладки между анодом и диафрагмой расположены не достаточно близко к торцевым поверхностям последней для того, чтобы максимально использовать поверхность диафрагмы в электрохимическом процессе. Это также способствует повышению электрического сопротивления устройства и, следовательно, росту эксплуатационных затрат. К недостатку известного устройства относится также и то, что его конструкция допускает наличие застойных зон между подводящими, а также отводящими отверстиями трубчатого анода и расположенными около них соответствующими кольцевыми прокладками, отделяющими анодную камеру от катодной. Особенно вредна застойная зона, образующаяся на выходе из анодной камеры между выходным отверстием в аноде и расположенной рядом верхней прокладкой, разделяющей анодную и катодную камеры. Эта застойная зона заполняется в процессе эксплуатации электролизными газами и “выключает” из работы соответствующую часть поверхности диафрагмы, вызывая, тем самым, повышение электрического сопротивления последней. Это также приводит к снижению эффективной поверхности диафрагмы и увеличивает электрическое сопротивление устройства. Диэлектрические втулки, служащие для крепления анода и катода, также сложны и дороги в изготовлении, т.к. имеют внутреннюю проточку для размещения в ней уплотняющей прокладки, герметизирующей катодную камеру.

Задачей настоящего изобретения является повышение его экономичности как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации.

Поставленная задача решается за счет того, что в устройстве для электрохимической обработки воды и водных растворов, содержащем коаксиально расположенные трубчатый и стержневой электроды, первый из которых является анодом, а второй - катодом, закрепленные в вертикальном положении в диэлектрических втулках и разделенные трубчатой керамической диафрагмой с образованием анодной и катодной электродных камер, изолированных друг от друга нижней и верхней кольцевыми прокладками, расположенными соответственно на нижнем и верхнем концах трубчатого анода и контактирующими своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью стенки трубчатой керамической диафрагмы, а в нижней и верхней концевых частях трубчатого анода расположены соответственно подводящие и отводящие отверстия анодной камеры, согласно изобретению трубчатый анод имеет длину не менее длины керамической диафрагмы, выполненной микрофильтрационной из материала на основе оксида алюминия и имеющей по толщине стенки переменную пористость, уменьшающуюся по направлению от наружной поверхности стенки, обращенной к аноду, к внутренней, обращенной к катоду, при этом нижняя и верхняя кольцевые изолирующие прокладки расположены таким образом, что центр поперечного сечения каждой из них находится на расстоянии Х от соответствующего торца диафрагмы и на расстоянии А от оси соответственно подводящих и отводящих отверстий анодной камеры, определяемых следующими зависимостями:

0,3Нпр≤Х≤Нпр; 1/2Нпр+Do/2≤А≤1/2Нпр+2Do,

где Нпр - толщина кольцевой изолирующей прокладки, a Do - диаметр подводящих или отводящих отверстий анодной камеры.

При этом керамическая диафрагма, выполненная из материала на основе оксида алюминия, может содержать дополнительно оксид циркония и оксид иттрия при следующем соотношении компонентов об.%: оксид алюминия 60-88, оксид циркония 10-38 и оксид иттрия 2-7.

Кольцевые прокладки, изолирующие катодную камеру от анодной, могут быть выполнены круглого поперечного сечения и иметь форму тора.

Подводящие и отводящие отверстия анодной камеры могут быть выполнены радиальными.

При этом количество подводящих или отводящих отверстий анодной камеры может составлять не менее четырех.

Кроме этого, подводящие и отводящие отверстия анодной камеры могут быть выполнены тангенциальными.

При этом количество подводящих или отводящих отверстий анодной камеры может составлять не менее двух.

Стержневой катод может быть выполнен переменного сечения, при этом его узкая часть расположена вне катодной камеры.

Кроме этого, стержневой катод может быть выполнен постоянного сечения по всей длине.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков, состоит в уменьшении энергопотребления заявляемым устройством за счет снижения его электрического сопротивления, а также в использовании более дешевого сырья при изготовлении устройства, в упрощении конструкции устройства и в уменьшении трудозатрат при его изготовлении, и в повышении коэффициента использования материала.

Достижение указанного технического результата и устранение указанных выше недостатков аналогов достигается за счет того, что в заявляемом устройстве реализован комплекс мер, направленных на снижение затрат при изготовлении устройства и в процессе его эксплуатации.

Снижение затрат на изготовление заявляемого устройства достигается за счет того, что керамическая диафрагма изготавливается микрофильтрационной и из более дешевого сырья, чем диафрагма, используемая в устройстве-прототипе. Во-первых, изготовление микрофильтрационной керамической диафрагмы существенно дешевле, чем изготовление ультрафильтрационной диафрагмы как более мелкопористой. Это связано с тем, что для изготовления мелкопористой керамики применяется сырье значительно более мелкого помола и, следовательно, более дорогое, чем для изготовления крупнопористой. Во-вторых, в заявляемом устройстве применяется диафрагма, изготовленная из керамики на основе оксида алюминия, который значительно дешевле, чем оксид циркония.

Кроме того, в настоящем изобретении катод изготавливается постоянного сечения по всей длине катодной камеры. Изменение его диаметра на обоих концах может иметь место на выходе из катодной камеры, когда он входит в торцевую часть соответствующих диэлектрических втулок. Или катод может быть выполнен постоянного диаметра по всей своей длине. Такая конструкция катода позволяет снизить трудозатраты на его изготовление за счет уменьшения объема механической обработки, а также повысить коэффициент использования материала катода. Более того, такая конструкция катода, позволяет разместить уплотняющие прокладки, герметизирующие катодную камеру, вне торцевой части диэлектрических втулок. Если катод выполнен постоянного сечения, то уплотняющая прокладка катодной камеры расположена на выходе катода из диэлектрической втулки. Если катод выполнен переменного сечения, то прокладка расположена в месте изменения его диаметра. Это позволяет упростить конструкцию диэлектрической втулки и снизить стоимость ее изготовления.

Комплекс мер, направленных на снижение электрического сопротивления заявляемого устройства, а значит и на затраты электроэнергии при его эксплуатации, включает в себя следующее. Во-первых, керамическая диафрагма выполнена микрофильтрационной на основе оксида алюминия и с переменной пористостью по толщине стенки, которая уменьшается по направлению от наружной поверхности стенки, обращенной к аноду, к внутренней, обращенной к катоду. Указанная переменная структура диафрагмы обеспечивается за счет того, что она изготавливается на основе оксида алюминия с добавками, имеющими более тонкий помол. При этом в процессе изготовления диафрагмы на основе оксида алюминия с добавками оксида циркония и оксида иттрия, около внутренней поверхности стенки формируется более тонкий микрофильтрационный слой, тогда как основная часть стенки диафрагмы, примыкающая к ее внешней поверхности, имеет крупнопористую структуру. Микрофильтрационная диафрагма с переменной пористостью по толщине стенки обладает более низким электрическим сопротивлением, по сравнению с ультрафильтрационной, оставаясь надежным барьером между анодом и катодом, препятствующим смешению продуктов электрохимических реакций, протекающих в анодных и катодных камерах заявляемого устройства.

Во-вторых, на снижение электрического сопротивления заявляемого устройства направлены также меры, обеспечивающие более полное использование поверхности керамической диафрагмы, отделяющей анодную камеру от катодной. Керамическая диафрагма, размещенная между анодом и катодом, вносит основной вклад в электрическое сопротивление заявляемого устройства. Следовательно, чем большая доля поверхности диафрагмы будет вовлечена в электрохимический процесс, тем меньшее электрическое сопротивление будет иметь заявляемое устройство. Более полное использование поверхности диафрагмы, то есть большая доля участия ее в электрохимическом процессе, достигается за счет того, что анод имеет длину не менее длины диафрагмы. Это позволяет разместить изолирующие кольцевые прокладки, разделяющие анодную и катодную камеры, и установленные на концах анода на расстоянии, максимально близком к торцевым поверхностям керамической диафрагмы. Это расстояние, обозначаемое как X, находится в диапазоне:

0,3Нпр≤Х≤Нпр,

где Нпр - толщина изолирующей прокладки.

Дополнительно входные и выходные отверстия анодной камеры, выполненные в аноде около его концевых частей, размещаются на расстоянии А от вышеупомянутых прокладок, разделяющих анодную и катодную камеры. При этом расстояние А находится в диапазоне:

1/2Нпр+Do/2≤А≤1/2Нпр+2Do,

где Нпр - толщина изолирующей прокладки, a Do - диаметр подводящих и отводящих отверстий анодной камеры.

Такое расположение входных и выходных отверстий анодной камеры снижает до минимума возможность образования застойных зон и увеличивает поверхность диафрагмы, участвующую в электрохимическом процессе. Опытным путем установлено, что в вышеуказанных диапазонах, заявляемых для размеров Х и А, достигается наилучший результат по снижению электрического сопротивления устройства в процессе его эксплуатации.

При выполнении входных и выходных отверстий анодной камеры радиальными, их число может быть не менее четырех. Это приводит к уменьшению образования застойных зон на входе и выходе анодной камеры и более эффективному использованию поверхности керамической диафрагмы.

На снижение электрического сопротивления устройства во время его эксплуатации направлено и изготовление входных и выходных отверстий анодной камеры тангенциальными. Такое их выполнение способствует эффективному удалению электролизных газов с поверхности анода, обеспечивающему снижение электрического сопротивления, а также снижение местных скачков плотности тока, вызванных скоплением электролизных газов на поверхности анода. Последнее увеличивает срок службы анода и снижает затраты, связанные с заменой анода в процессе эксплуатации устройства.

Дополнительно конструкция катода, имеющая постоянное сечение по всей длине катодной камеры, обеспечивает равенство межэлектродного расстояния между катодом и анодом. Это также приводит к снижению затрат электроэнергии в процессе эксплуатации устройства из-за уменьшения его электрического сопротивления вследствие обеспечения постоянства межэлектродного расстояния.

Таким образом вся приведенная выше совокупность существенных признаков заявляемого изобретения обеспечивает решение поставленной задачи и достижение указанного технического результата.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов, в разрезе;

на фиг.2 - фрагмент А на фиг.1, показывающий в увеличенном масштабе взаимное расположение изолирующих кольцевых прокладок, отверстий анодной камеры и торца диафрагмы, обеспечивающее максимально эффективное использование поверхности диафрагмы в электрохимическом процессе;

на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1, отображающее входные или выходные отверстия анодной камеры, выполненные радиально;

на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1, отображающие входные или выходные отверстия анодной камеры, выполненные тангенциально.

Устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов содержит коаксиально расположенные трубчатый и стержневой электроды (фиг.1), первый из которых является анодом 1, а второй - катодом 2. Электроды 1 и 2 закреплены в вертикальном положении в диэлектрических втулках 3, имеющих торцевую часть 4. Между собой электроды 1 и 2 разделены трубчатой керамической диафрагмой 5 с образованием анодной 6 и катодной 7 электродных камер. Анодная камера 6 и катодная камера 7 изолированы друг от друга нижней 8 и верхней 9 кольцевыми прокладками, расположенными соответственно на нижнем и верхнем концах трубчатого анода 1. Кольцевые прокладки 8 и 9 контактируют своей внутренней поверхностью 10 с наружной поверхностью 11 стенки трубчатой керамической диафрагмы 5. В нижней 12 и верхней 13 концевых частях трубчатого анода 1 расположены соответственно подводящие 14 и отводящие 15 отверстия анодной камеры 6.

Трубчатый анод 1 имеет длину La не менее длины Ld керамической диафрагмы 5, т.е. La≥Ld.

Керамическая диафрагма 5 выполнена микрофильтрационной из материала на основе оксида алюминия и имеет по толщине стенки переменную пористость. Пористость керамической диафрагмы 5 уменьшается по толщине стенки по направлению от наружной поверхности 11 стенки, обращенной к аноду 1, к внутренней 16, обращенной к катоду 2.

Нижняя 8 и верхняя 9 кольцевые изолирующие прокладки расположены таким образом (фиг.2), что центр поперечного сечения каждой из них находится на расстоянии Х от соответствующего торца диафрагмы 5 и на расстоянии А от оси соответственно подводящих 14 и отводящих 15 отверстий анодной камеры 6, которые определяются следующими зависимостями:

0,3Нпр≤Х≤Нпр; 1/2Нпр+Do/2≤А≤1/2Нпр+2Do,

где Нпр - толщина изолирующих прокладок 8 или 9, a Do - диаметр подводящих 14 и отводящих 15 отверстий анодной камеры 6.

Керамическая диафрагма 5, выполненная из материала на основе оксида алюминия, может содержать дополнительно оксид циркония и оксид иттрия при следующем соотношении компонентов об.%: оксид алюминия 60-88, оксид циркония 10-38 и оксид иттрия 2-7.

Нижняя 8 и верхняя 9 кольцевые прокладки, изолирующие анодную 6 камеру от катодной 7, могут быть выполнены круглого поперечного сечения и иметь форму тора.

Подводящие 14 и отводящие 15 отверстия анодной камеры 6 могут быть выполнены радиальными (фиг.3). При этом их количество может быть не менее четырех.

Кроме этого, подводящие 14 и отводящие 15 отверстия анодной камеры 6 могут быть выполнены тангенциальными (фиг.4). Тогда их количество может быть не менее двух.

На концах катода 2 расположены уплотняющие прокладки 17, герметизирующие катодную камеру 7 (фиг.1).

Стержневой катод 2 может быть выполнен переменного сечения, при этом его узкая часть 18 практически вся расположена вне катодной камеры 7. Кроме этого, стержневой катод 2 может быть выполнен постоянного сечения по всей его длине.

Такая конструкция катода 2 позволяет разместить уплотняющие прокладки 17, герметизирующие катодную камеру 7, вне торцевой части 4 диэлектрических втулок 3. Если катод выполнен постоянного сечения, то уплотняющие прокладки 17 катодной камеры расположены на выходе катода из диэлектрических втулок. Если катод выполнен переменного сечения, то прокладки 17 расположены в месте изменения его диаметра. Это позволяет упростить конструкцию диэлектрической втулки и снизить стоимость ее изготовления.

Пример конкретного выполнения устройства.

В устройстве для электрохимической обработки воды длина керамической диафрагмы равнялась 210,5 мм, а длина анода - 215 мм, при этом расстояния А и Х были равны соответственно 3,25 мм и 0,75 мм. Толщина кольцевых изолирующих прокладок составляла 1,5 мм, а диаметр подводящих и отводящих отверстий анодной камеры Do был равен 4 мм. Керамическая диафрагма была выполнена микрофильтрационной с размером пор 0,1-1,0 мкм и изготовлена из материала следующего состава: оксид алюминия 65%, оксид циркония 31%, оксид иттрия 4%.

В результате комплекса мер, направленных, с одной стороны, на упрощение конструкции заявляемого устройства, а также на применение более дешевого сырья для изготовления керамической диафрагмы, достигается повышение экономичности устройства при его изготовлении. С другой стороны, выполнение керамической диафрагмы микрофильтрационной с переменной пористостью по толщине стенки, а также более полное использование ее поверхности в процессе электролиза, позволяют снизить электрическое сопротивление заявляемого устройства и, следовательно, повысить экономичность его эксплуатации. По сравнению с известными аналогичными устройствами, применение настоящего изобретения позволяет повысить его экономичность на 10-20%.

Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды и водных растворов, и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды, а также получения моющих и дезинфицирующих растворов. Устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов содержит трубчатый и стержневой электроды, первый из которых является анодом, а второй - катодом, закрепленные в диэлектрических втулках и разделенные трубчатой керамической диафрагмой на анодную и катодную электродные камеры. Электродные камеры изолированы друг от друга кольцевыми прокладками, контактирующими своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью стенки трубчатой керамической диафрагмы. При этом согласно изобретению трубчатый анод имеет длину не менее длины керамической диафрагмы, выполненной микрофильтрационной из материала на основе оксида алюминия, и имеющей по толщине стенки переменную пористость, уменьшающуюся по направлению от наружной поверхности стенки, обращенной к аноду, к внутренней, обращенной к катоду. Кроме этого, кольцевые изолирующие прокладки и входные и выходные отверстия анодной камеры расположены таким образом, что обеспечивают наиболее эффективное использование поверхности диафрагмы в электрохимическом процессе. Технический эффект - повышение экономичности устройства как при его изготовлении за счет упрощения конструкции и использования более дешевого сырья, так и при его эксплуатации за счет снижения электрического сопротивления. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов, содержащее коаксиально расположенные трубчатый и стержневой электроды, первый из которых является анодом, а второй - катодом, закрепленные в вертикальном положении в диэлектрических втулках и разделенные трубчатой керамической диафрагмой с образованием анодной и катодной электродных камер, изолированных друг от друга нижней и верхней кольцевыми прокладками, расположенными соответственно на нижнем и верхнем концах трубчатого анода и контактирующими своей внутренней поверхностью с наружной поверхностью стенки трубчатой керамической диафрагмы, а в нижней и верхней концевых частях трубчатого анода расположены соответственно подводящие и отводящие отверстия анодной камеры, отличающееся тем, что трубчатый анод имеет длину не менее длины керамической диафрагмы, выполненной микрофильтрационной, из материала на основе оксида алюминия, и имеющей по толщине стенки переменную пористость, уменьшающуюся по направлению от наружной поверхности стенки, обращенной к аноду, к внутренней, обращенной к катоду, при этом нижняя и верхняя кольцевые изолирующие прокладки расположены таким образом, что центр поперечного сечения каждой из них находится на расстоянии Х от соответствующего торца диафрагмы, и на расстоянии А от оси соответственно подводящих и отводящих отверстий анодной камеры, определяемых следующими зависимостями:

0,3Нпр≤Х≤Нпр; 1/2Нпр+Do/2≤А≤1/2Нпр+2Do,

где Нпр - толщина кольцевых изолирующих прокладок, а Dо - диаметр подводящих и отводящих отверстий анодной камеры.