УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОЮЩИХ И ДЕЗИНФИЦИРУЮЩИХ РАСТВОРОВ Российский патент 2007 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды и водных растворов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов, и может быть использовано для получения моющих и дезинфицирующих растворов.

Известно устройство для электрохимической обработки воды, принятое за аналог, которое содержит по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов, установленных в диэлектрических втулках, ультрафильтрационной диафрагмы из керамики на основе оксида циркония, коаксиально установленной во втулках между электродами (RU №2076847 С1, M. кл⁶. C02F 1/46, 1997 г.).

Недостаток аналога заключается в том, что процесс обработки воды в данном устройстве связан с частыми затратами сравнительно больших количеств реактивов на промывку электрохимических ячеек.

Известно устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов, принятое в качестве прототипа, включающее по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из вертикально устанавливаемых плоских перфорированных электродов, размещенных в электродных камерах и разделенных между собой фильтрующей диафрагмой, причем в нижней и верхней частях выполнены соответственно каналы для подвода и отвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, приспособления для подвода и отвода обрабатываемого раствора, соединенные соответственно с катодной и анодной камерами, линии подвода обрабатываемого и отвода обработанного в электродных камерах раствора, соединенные с приспособлениями для подвода и отвода раствора, линию подачи воды с установленным на ней приспособлением для дозирования в подаваемую воду хлорида щелочного или щелочноземельного металла, соединенную с линией подвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, источник электрического тока, положительный и отрицательный полюса которого соединены с электродами, и газоотделитель, установленный на линии отвода обрабатываемого раствора из камеры отрицательного электрода (RU 2238909 С1, С02F 1/46 2004 г.).

Недостаток прототипа состоит в том, что один из важных параметров обработанного раствора в катодных камерах рН католита не остается неизменным во времени, и в таком состоянии непрерывно возвращается через камеру нерегулированного перетока на вход в анодные или катодные камеры, смешиваясь при этом с обрабатываемым раствором, что вызывает необходимость:

- более частого контроля за параметрами обработанных растворов и изменения соотношений количеств получаемых растворов «анолита» и «католита»;

- ликвидировать камеру нерегулированного перетока в составе устройства, заменив ее наружным трубопроводом с ограниченным проходом и газоотделителем с ограниченным брызгоуносом, частично изменив при этом направления движения потоков обрабатываемого раствора через диафрагму внутри электродных камер устройства.

Задачей настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства, стабилизация параметров получаемых продуктов «анолит» и «католит и обеспечение возможности проведения безреагентной промывки от отложений солей жесткости на внутренних поверхностях межэлектродного пространства элементов электрохимической ячейки устройства, в случаях сохранения кислотных промывок, значительно сократить их частоту, имея ввиду их профилактическую направленность на промывку вспомогательных элементов и коммуникаций устройства от отложений солей жесткости на их внутренних поверхностях.

Решение поставленной задачи достигается тем, что, в устройстве для получения моющих и дезинфицирующих растворов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов, содержащем по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из электродов в виде перфорированных однослойных или многослойных пластин волнообразного профиля, размещенных в электродных камерах и разделенных между собой фильтрующей диафрагмой, выполненной из нетканого материала требуемой коррозионной стойкости в кислых и щелочных средах, армированного фторопластовой сеткой с размером ячейки (0,5×5,0)×(0,5-5,0) мм² и сжатого электродами до заданной величины зазора между электродами, в нижних и верхних частях камер выполнены соответственно каналы для подвода и отвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, приспособления для подвода и отвода обрабатываемого раствора, соединенные соответственно с катодной и анодной камерами, линии подвода обрабатываемого и отвода обработанного в электродных камерах раствора, соединенные с приспособлениями для подвода и отвода раствора, линию подачи обрабатываемого раствора с установленными на ней приспособлениями для дозирования обрабатываемого раствора в электродные камеры, источник тока, положительный и отрицательный полюса которого соединены с электродами, газоотделители, установленные на линии отвода обрабатываемого раствора из катодной и анодной камер.

Шаг и амплитуда волны профиля пластин электродов не превышает 5,0 мм.

На линии возврата католита в катодную камеру установлен обратный клапан.

Зазор между электродами составляет 2-3 мм.

Блок-схема предлагаемого устройства для получения моющих и дезинфицирующих растворов, содержащая обвязку сдвоенной электрохимической ячейки, представлена на фиг.1. Вариант выполнения устройства, содержащего единичную электрохимическую ячейку, представлен на фиг.2.

Устройства для получения моющих и дезинфицирующих растворов устанавливаются вертикально и собираются из единичных или сдвоенных ячеек, располагаемых параллельно между собой и объединенных каналами подвода обрабатываемого раствора и отвода обработанных растворов, расположенными перпендикулярно плоскости расположения электродов и являющимися продолжением соответственно один другого. Количество электрохимических ячеек, объединяемых одновременно в одном устройстве, обусловлено требованием суммарной производительности и разрешенными параметрами энергопотребления.

Устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов (фиг.1) содержит линии подачи исходного обрабатываемого раствора 1, регулирующие вентили 2₁ и 2₂, индикаторы расхода 3₁ и 3_2.. В отличие от гидравлической схемы прототипа, в которой исходный обрабатываемый раствор направляется на обработку в анодную или катодную камеры электрохимической ячейки через переключающее устройство при обеспечении ввода этого раствора только через одну из камер(катодную или анодную), в заявленном предложении обеспечена параллельная подача обрабатываемого раствора в анодную и катодную камеры одновременно через подводящие каналы 4 и 5 с последующим частичным проникновением обрабатываемого раствора в анодную камеру 6 из смежных катодных камер 7₁ и 7₂ через фильтрующие диафрагмы соответственно 8₁ и 8₂, что препятствует перетоку обрабатываемого раствора в обратную сторону из анодной камеры в катодную. Это дает возможность регулировать заданные значения рН в выходных продуктах - анолите и католите с абсолютной погрешностью, не превышающей ΔрН≤±0,2

Анодные камеры выполнены из двух пластин, подключенных к положительному полюсу источника выпрямленного электрического тока и расположенных на расстоянии 2÷3 мм одна от другой таким образом, что в пространстве между ними протекает обрабатываемый раствор (анолит), причем обе пластины могут быть выполнены перфорированными, или одна - перфорированной, а вторая - сплошной.

Катодные камеры выполнены из двух пластин, подключенных к отрицательному полюсу источника выпрямленного электрического тока и расположенных на расстоянии 2-3 мм одна от другой таким образом, что в пространстве между ними протекает обрабатываемый раствор (католит).

Пространство между анодом и катодом заполнено фильтрующим материалом требуемой коррозионной стойкости в кислых и щелочных средах, армированным фторопластовой сеткой с размером ячейки (0,5×5,0)×(0,5-5,0) мм² и сжатым электродами до заданной величины зазора между электродами, обладающим высокой химической стойкостью в кислых и щелочных средах, способным пропускать через себя обрабатываемый раствор как в одну сторону (из катодной камеры в анодную), так и в обратную сторону (из анодной камеры в катодную). Причем пластины разноименно заряженных электродов, примыкающих непосредственно к фильтрующей диафрагме 9₁ и 9₂, 10₁ и 10₂, выполнены перфорированными и имеют волнообразный профиль, а удаленные от диафрагмы 11₁ и 11₂ могут быть как перфорированными, так и сплошными.

Катодные камеры могут выполняться из двух или более пластин, подсоединенных к одному и тому же отрицательному полюсу источника электрического тока. В такой конструкции свободное пространство, создаваемое перфорацией пластин, составляет свободное пространство катодной камеры, по которому протекает обрабатываемый раствор. Электрохимические ячейки, представленные на фиг.1 и 2, из которых составляется устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов, разделяются между собой электронепроницаемыми перегородками 12₁ и 12₂. При использовании устройства, содержащего более одной электрохимической ячейки, подключение их к источнику электрического напряжения производят по схемам параллельного, последовательного или параллельно-последовательного соединения.

Объединительный канал 13 соединяет между собой катодные камеры, направляя католит в газоотделитель 14. Канал 15 соединяет газоотделитель 14 через регулирующий вентиль 16 и индикатор 17, гидрозатвор 18 и обратный клапан 19. Линия 20 отводит анолит в газоотделитель 21.

Работает устройство следующим образом.

Одновременная подача обрабатываемого раствора по линии 1 через вентили 2 и индикаторы 3, подводящим каналам 4 и 5 соответственно в анодные 6 и катодные 7 камеры обеспечивает направленное движение потоков внутри камер снизу вверх. Часть одного из этих потоков имеет поперечное направление - через фильтрующие диафрагмы 8₁ и 8₂ и перфорированные электроды 9₁, 9₂, 10₁, 10₂ и диафрагмы 11.

Направления и расходы перетекаемых из одной камеры в другую потоков устанавливаются автоматически, в зависимости от ограничения величины отводимого из этой камеры жидкого потока в качестве готового продукта или регулированного сброса побочного продукта, которым, например, является «католит» при получении моющего и дезинфицирующего раствора «анолит». Такое направление потоков обеспечивает, с одной стороны, смешение раствора (католита), прошедшего катодную обработку, с раствором (анолит), прошедшим анодную обработку, в результате чего на выходе устройства образуется раствор, близкий по своим моющим и дезинфицирующим свойствам к продукту (анолиту), АНК), получаемому в устройствах - аналогах, и при этом имеющему более стабильные параметры.

Сравнительные характеристика основных эксплуатационных параметров продуктов, получаемых в устройствах аналога, прототипа и предлагаемого изобретения при одинаковом удельном токопотреблении, приведена в таблице №1:

Наименование параметраАналогПрототипПредлагаемое изобретениерН АНК7,7±0,57,7±0,57,7±0,2С оксиданта мг/л500±50500±50500±25рН католита (рН_опт ^кат=12,2-12,5)12,2-12,511,9-12,212,2-12,4Количество отводимого побочного продукта (католита) при получении оксиданта (Q_{католита теоретически} × 100% / Q_окс)_pt˜10%10±2%14±6%10±2%Суммарное время без промывки≤20 час.≤100 час.≤150 час.

Обрабатываемый раствор, подвергнутый электрохимической обработке в анодной камере, выводится из устройства как готовый к употреблению моюще-дезинфицирующий раствор «анолит». При этом остающийся в катодной камере обработанный раствор удаляется вместе с потоком газа(водород), образующимся в катодной камере в процессе электрохимических реакций.

Газожидкостный поток в катодных камерах проходит между электродами 10 (10₁ и 10₂) и 11 (11₁ и 11₂), собирается из всех ячеек устройства, разделенных электроизолирующими перегородками 12 (12₁ и 12₂), попадает в объединительный канал 13 и затем в газоотделитель 14, где отделяется от газовой фазы. Газ, отделенный от жидкости, направляется в атмосферу через клапан газоотделителя 14, а жидкая фаза «католит» самотеком направляется в канал 15. Из канала 15 заданное количество католита через регулирующий вентиль 16 и индикатор 17 непрерывно отводится в емкость сбора католита (на фиг.1 не показана), а оставшийся в канале 15 католит через гидрозатвор 18 и обратный клапан 19 смешивается с обрабатываемым раствором и направляется на вход в катодные камеры.

Обратный клапан выполняет двоякую функцию: препятствует попаданию обрабатываемого раствора в линию отвода католита, также позволяет осуществлять промывку электродных камер без изменения настройки управления на линии отвода католита.

Одновременно анолит по линии 20 поступает в газоотделитель 21.

Необходимость стабилизации рН католита и его количества, выводимого из устройства, обусловлены тем фактором, что значение рН раствора, содержащего в своем составе такие вещества как: NaOH; Са(ОН)₂; Са(НСО₃)₂; Mg(HCO₃)₂; СаСО₃; MgCO₃; NaOCl; NaClO₂; NaClO₃; Cl₂O; CaCl₂; MgCl₂ и другие, зависит от концентрации каждого из компонентов, констант диссоциации и подвижности ионов, причем при отсутствии отвода из устройства части раствора, обработанного в катодной камере, значение рН обработанного раствора на выходе из анодной камеры составит рН 8,8±0,2 и дезинфицирующая способность такого раствора окажется значительно слабее, чем при рН 7,7.

Электрохимической обработке подвергаются водные растворы, содержащие соли жесткости, которые при рН→7 находятся в растворенном состоянии. Однако, подвергаясь электрохимической обработке в катодной камере, значение рН таких растворов возрастает до значений рН≤12,5, что способствует интенсивному выделению из раствора солей жесткости в виде мелкодисперсной твердой фазы, которая задерживается фильтрующей диафрагмой и постепенно накапливается в ней, сокращая тем самым ее пропускную способность, которая, однако, остается длительное время достаточно «прозрачной» для протекания через нее раствора. Чем меньшей фильтрующей способностью обладает диафрагма, тем быстрее на ней задерживаются твердые отложения и тем быстрее она теряет свою работоспособность как элемент электрохимической ячейки. Любая диафрагма может быть освобождена от твердых отложений солей жесткости путем ее промывки кислым раствором.

При работе предложенного устройства в катодной камере протекают следующие основные электрохимические реакции:

NaCl^→ _←Na⁺+Cl^-

Na⁺+1e^--→Na⁰

2Na⁰+2НОН→2NaOH+H₂↑

Са(НСО₃)₂→↓СаСО₃+H₂O+CO₂↑ (при рН>10).

Значение рН раствора, обрабатываемого в катодной камере, изменяется от рН 7 до рН≤12,5. Такой раствор частично перетекает из катодной камеры в анодную через диафрагму. Выпадающая в осадок твердая фаза СаСО₃ задерживается диафрагмой и накапливается в ней.

В анодной камере протекают следующие основные электрохимические реакции:

Cl^--1е^--→Cl⁰

2Cl⁰=Cl₂

Cl₂+HOH→HCl+HOCl

HCl+NaOH→NaCl+H₂O.

При этом рН раствора, обрабатываемого в анодной камере, изменяется от рН 7 (обрабатываемый раствор) до рН→3 (кислый анолит); до рН→8,8 (при смешений с католитом); до рН→7,7±0,2 (при отлаженной работе предлагаемого устройства).

Значения рН раствора, проходящего через диафрагму, могут находится в интервале значений 7≤рН≤12,5. При этом во всем объеме, занимаемом фильтрующей диафрагмой в период времени получения моющих и дезинфицирующих растворов, могут накапливаться соли жесткости в виде твердых осадков, плотно закрепленных на элементах диафрагмы. Такие осадки легко растворяются соляной кислотой, образующейся в анодной камере. Поэтому любые изменения направления потоков жидкости через диафрагму способствуют попаданию в нее кислому анолиту и частичному растворению солей жесткости, что особенно ощутимо при использовании перфорированных электродов волнообразного профиля при раздельной параллельной подаче обрабатываемого раствора в анодную и катодную камеры, когда потоки жидкости от катода к аноду ограниченны.

Такое конструктивное и схемное решение в предлагаемом изобретении позволило значительно (1,5 раза) по сравнению с прототипом увеличить суммарное время непрерывной работы, а также заменить сложные дорогие переключающие клапаны на более простые.

Автоматическая промывка - регенерация коммуникаций устройства от отложений на них солей жесткости осуществляется периодически кислым анолитом, образующимся в анодной камере, без изменения настройки его управляющих органов. Переход от режима «работа» к режиму «промывка» включает в себя следующие операции:

1. Линия «дренаж» при снятой заглушке переносится в канализацию;

2. Линия анолита перекрывается (пережимается) в любом месте между каналом 20 и газоотделителем 21;

3. Краном 2₃ перекрывается канал дозирования обрабатываемого раствора в катодные камеры.

По завершению автоматической промывки восстанавливается первоначальная гидравлическая схема. Электрическая схема в режимах «промывка» и «работа» остается неизменной.

В заявленном устройстве обеспечивается промывка диафрагмы обратным током обрабатываемого раствора из анодной камеры 6 в катодные 7₁ и 7₂ через диафрагмы 8₁ и 8₂ при перекрытом кране 2₃ канала 5 без изменения полярности электродов и величины потребляемой электроэнергии. При этом обрабатываемый раствор из канала 4 направляется в анодную камеру 6, подвергается анодной обработке, его рН изменяется от рН 7 до рН≥2, и затем этот кислый раствор направляется в катодные камеры 7₁ и 7₂ через диафрагмы 8₁ и 8₂, в которых при этом растворяются осажденные ранее соли жесткости. Обработанные в анодной и катодных камерах растворы, содержащие дисперсную газовую фазу, выводятся из устройства через канал 13, газоотделитель 14 и линию «дренаж» при снятой заглушке. Обратный клапан 19 препятствует изменению направления жидких потоков по сравнению с описанным.

При неизменных параметрах электрической схемы и протекании тех же электрохимических реакций в анодной камере рН обрабатываемого раствора изменяется от рН 7 до рН≥2, а в катодной камере - от рН≥2 до рН≤8. В это же время через диафрагму проходит кислый раствор из анодной камеры и растворяет накопленный в объеме диафрагмы осадок солей

СаСО₃+2НCl→CaCl₂+H₂O+CO₂↑

Промывка диафрагмы производится до полного растворения осадка, которое внешне характеризуется прекращением интенсивного газовыделения, после чего открывается кран 2₃, устанавливается заглушка на линии «сброс» и снимается зажим с анодной камеры. При этом устройство возвращается в свое первоначальное состояние - состояние готовности получения моющих и дезинфицирующих растворов.

Технико-экономическим результатом изобретения по сравнению с прототипом является значительное, не менее чем в 1,5 раза, увеличение ресурса времени бесперебойной непрерывной работы устройства, причем реагентная промывка устройства с использованием специальных кислых растворов выполняется эпизодически и только как профилактическая мера для отмывки внешних коммуникаций и отдельных элементов устройства от возможных известковых отложений на их внутренних поверхностях. Кроме того, одновременная подача обрабатываемого раствора в катодные и анодные камеры позволяет стабилизировать параметры готового продукта «анолита» со значительно меньшей случайной погрешностью.

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано для получения моющих и дезинфицирующих растворов. Устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов электролизом водных растворов хлоридов щелочных или щелочноземельных металлов содержит по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из электродов в виде перфорированных однослойных или многослойных пластин волнообразного профиля, размещенных в электродных камерах и разделенных между собой фильтрующей диафрагмой, выполненной из нетканого материала требуемой коррозионной стойкости в кислых и щелочных средах, армированного сеткой с размером ячейки (0,5×5,0)×(0,5×5,0) мм и сжатого электродами до заданной величины зазора между электродами. В нижних и верхних частях камер выполнены соответственно каналы для подвода и отвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, причем на линиях отвода обрабатываемого раствора из катодной и анодной камер установлены газоотделители. Технический результат - увеличение ресурса времени бесперебойной непрерывной работы устройства, стабилизация параметров готового продукта. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Устройство для получения моющих и дезинфицирующих растворов электролизом водных растворов хлоридов щелочных или щелочно-земельных металлов, содержащее по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из электродов в виде перфорированных однослойных или многослойных пластин волнообразного профиля, размещенных в электродных камерах и разделенных между собой фильтрующей диафрагмой, выполненной из нетканого материала требуемой коррозионной стойкости в кислых и щелочных средах, армированного фторопластовой сеткой с размером ячейки (0,5×5,0)×(0,5×5,0) мм² и сжатого электродами до заданной величины зазора между электродами, в нижних и верхних частях камер выполнены соответственно каналы для подвода и отвода обрабатываемого раствора в электродные камеры, приспособления для подвода и отвода обрабатываемого раствора, соединенные соответственно с катодной и анодной камерами, линии подвода обрабатываемого и отвода обработанного в электродных камерах раствора, соединенные с приспособлениями для подвода и отвода раствора, линию подачи обрабатываемого раствора с установленными на ней приспособлениями для дозирования обрабатываемого раствора в электродные камеры, источник тока, положительный и отрицательный полюса которого соединены с электродами, газоотделители, установленные на линиях отвода обрабатываемого раствора из катодной и анодной камер.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шаг и амплитуда волны профиля пластин электродов не превышает 5,0 мм.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на линии возврата католита в катодную камеру установлен обратный клапан.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазор между электродами составляет 2-3 мм.