ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК C02F1/467 C02F103/42 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электрохимических ячеек, в особенности ячеек для электролитической обработки воды.

Предпосылки изобретения

В данной области техники известно несколько электрохимических ячеек для электролитической обработки воды, например, ячейки, генерирующие гипохлорит или озон для дезинфекции воды, или ячейки, выделяющие кислород для биоцидных обработок. Одной из главных проблем этих ячеек является образование продуктов загрязнения, таких как отложения накипи из нерастворимых солей, рост водорослей или других микроорганизмов (обрастание) и тому подобные, в особенности на поверхности катодов в ячейке. Такие продукты загрязнения типично являются непроводящими и вредными для выхода по току в электрохимических процессах, а также препятствующими доступу электролита к активным реакционным зонам и должны периодически удаляться. В принципе, это предполагает демонтаж ячеек, в которых установлены загрязненные электроды, с полной потерей производительности в дополнение к основной стоимости процедуры технического обслуживания. Более того, электроды для электрохимических применений часто включают в себя инертную проводящую подложку, покрытую тонкими слоями каталитически активных компонентов, которые во многих случаях содержат очень дорогостоящие благородные металлы или их оксиды. Удаление солевых отложений накипи или водорослей с поверхности этих активных электродов механическими средствами связано с опасностью повреждения таких чувствительных активных покрытий, обусловливая еще более значительные экономические потери.

Одна раскрытая в уровне техники мера во избежание этих дорогостоящих и рискованных процедур технического обслуживания состоит в периодическом изменении полярности (т.е. реверсировании) электродов на ограниченный период времени, что может вести к созданию переходных условий, способствующих отделению или растворению отложений накипи (например, локальному повышению кислотности вблизи загрязненной поверхности катода, временно действующего в качестве анода), или к биоцидному действию, направленному против водорослей (например, временному выделению хлора на загрязненной катодной поверхности).

Разнообразные варианты реализации этой методики, известные в технологии как изменение направления или обращение тока, известны и употреблялись в таких областях применения, как электролиз морской воды с образованием гипохлорита, обращение тока в хлораторах для обработки воды плавательных бассейнов и удаление отложений карбоната кальция в процессе электролиза воды. Во всех этих примерах катоды периодически действовали в качестве анодов в течение ограниченного времени с заранее заданной цикличностью: чем больше продолжительность работы в режиме обращения тока, тем более эффективна очистка электрода.

Тем не менее, если функционирование в условиях обращения тока является слишком длительным, наряду с возможным падением общего выхода по току, когда ячейка работает в режиме очистки без производства желательных продуктов, также может иметь место повреждение электродов. Во многих случаях такая анодная эксплуатация катодов вредна для целостности материалов, специально рассчитанных на катодную эксплуатацию, в том числе некоторых предпочтительных материалов подложки катода, таких как нержавеющая сталь, никель и никелевые сплавы. Во многих случаях в ячейке, рассчитанной на работу с прерывистым обращением тока, приходится использовать титановые катоды, которые должны быть защищены подходящими слоями благороднометальных покрытий. С другой стороны, обращение тока также может оказывать очень сильное вредное воздействие на специально рассчитанные анодные материалы, вынужденные работать в качестве катодов и типично подвергающиеся в режиме обращения тока выделению водорода, которое не является безвредной реакцией для всех материалов покрытий и подложки. Поэтому снижается степень свободы при выборе конструкционных материалов для ячеек, которые должны работать с периодическим обращением тока, и для удовлетворения всех этих разнообразных требований обычно требуется компромиссное решение. Примерами типичных промышленных областей применения, которые в существенной мере подвержены вышеназванным ограничениям, являются вышеуказанное хлорирование воды плавательных бассейнов, в особенности, когда жесткость обрабатываемой воды высока, и проводимая на борту обработка балластных вод судов, требующаяся по международным законодательным нормам для уничтожения неестественных форм живых морских организмов и подверженная как явлениям образования накипи, так и биологическому загрязнению катода.

Таким образом, было бы желательно предложить электрохимическую ячейку, в которой удаление продуктов загрязнения достигается без прерывания производства и без изменения полярности электродов. Также было бы желательно предложить электрохимическую ячейку, пригодную для генерирования кислорода и/или гипохлорита, для биоцидной обработки балластных вод или для хлорирования воды плавательных бассейнов.

Сущность изобретения

В одном варианте реализации изобретение направлено на электрохимическую ячейку, содержащую первую и вторую анодно-катодные пары, причем каждая из упомянутых анодно-катодных пар содержит катод и анод, разделенные непроводящей средой, и по меньшей мере одно исполнительное средство, соединяющее упомянутые первую и вторую анодно-катодные пары с источником питания, причем упомянутое исполнительное средство и упомянутый источник питания пригодны для попеременной подачи постоянного электрического тока:

- в первом рабочем состоянии к упомянутому катоду упомянутой первой анодно-катодной пары и к упомянутому аноду упомянутой второй анодно-катодной пары, причем остальные катод и анод находятся в разомкнутой цепи, и

- во втором рабочем состоянии к упомянутому катоду упомянутой второй анодно-катодной пары и к упомянутому аноду упомянутой первой анодно-катодной пары, причем остальные катод и анод находятся в разомкнутой цепи.

В еще одном варианте реализации изобретение направлено на электродный узел, содержащий:

(а) по меньшей мере две анодно-катодных пары, причем каждая пара содержит анод, непроводящий элемент, катод; и

(b) соединения с исполнительным средством, способным направлять анодные токи к аноду и катодные токи к катоду.

В еще одном варианте реализации изобретение направлено на электродный узел, содержащий (а) по меньшей мере две анодно-катодных пары, причем каждая пара содержит анод, непроводящий элемент, катод; и (b) соединения с исполнительным средством, способным направлять анодные токи к аноду и катодные токи к катоду.

В дополнительном варианте реализации изобретение направлено на электродный узел, содержащий (а) множество анодно-катодных групп, содержащих центральный анод, расположенный между парами катодов; (b) первую и вторую концевые анодно-катодные пары на концах узла и (с) исполнительное средство, способное направлять анодные токи к аноду и катодные токи к катоду.

В еще одном дополнительном варианте реализации изобретение направлено на анодно-катодную пару в сочетании с исполнительным средством, способным направлять анодные токи к аноду и катодные токи к катоду, при этом упомянутый анод и упомянутый катод упомянутой пары попеременно работают в первом рабочем состоянии или втором рабочем состоянии.

Краткое описание чертежей

Вышеназванные цели и прочие признаки и преимущества изобретения будут более ясными из нижеследующего описания с сопроводительными чертежами, на которых:

Фигура 1 показывает ячейку согласно варианту реализации изобретения, содержащую исполнительное средство, состоящее из матрицы электромеханических переключателей.

Фигура 2 показывает ячейку согласно варианту реализации изобретения, содержащую исполнительное средство, состоящее из матрицы диодов.

Фигура 3 показывает ячейку согласно варианту реализации изобретения, содержащую узел из двух дополнительных анодно-катодных пар в псевдобиполярной компоновке.

Фигура 4 показывает узел согласно дополнительному варианту реализации изобретения, содержащий множество анодно-катодных групп, скомпонованных с образованием множества камер внутри ячейки.

Фигура 5 показывает узел согласно варианту реализации изобретения, содержащий альтернативный вариант реализации по Фигуре 4.

Фигура 6 представляет собой фотографию, показывающую внешний вид реверсированных и нереверсированных электродов после работы в хлораторе бассейна.

Подробное описание изобретения

Один или более вариантов изобретения теперь будут описаны со ссылкой на сопроводительные чертежи, на всех из которых сходные ссылочные номера использованы для обозначения сходных элементов и на которых проиллюстрированные конструкции не обязательно вычерчены в масштабе.

Для целей изобретения нижеследующие термины должны иметь следующие значения:

Единственное число какого-то объекта относится к одному или более из этих объектов; например, «анод» или «анодно-катодная пара» относятся к одному или более из этих анодов или по меньшей мере одному аноду. Как таковые, понятия в единственном числе, термины «один или более» и «по меньшей мере один» могут быть использованы здесь взаимозаменяемо. Также следует отметить, что термины «содержащий», «включающий в себя» и «имеющий» могут быть использованы взаимозаменяемо. Далее, соединение, «выбранное из одного или более из», относится к одному или более из соединений в следующем далее списке, включая смеси (т.е. сочетания) двух или более соединений.

Изобретение включает в себя электрохимическую ячейку, имеющую электроды, скомпонованные в анодно-катодные пары, причем анод и катод каждой пары разделены непроводящей средой, соединены с источником питания через исполнительное средство, пригодное для попеременной подачи постоянного электрического тока к катоду одной пары и к аноду другой пары в первом рабочем состоянии, затем к аноду первой пары и к катоду второй пары во втором рабочем состоянии, при этом аноды и катоды, не запитанные электрическим током в каждом рабочем состоянии, поддерживаются в разомкнутой цепи.

Исполнительное средство включает в себя одну или более из матрицы реле или другого типа электромеханических или электронных твердотельных переключателей, известных в данной области техники, или матрицу диодов, которая способна направлять анодные токи к аноду и катодные токи к катоду. В любом случае переключатели или диоды могут быть смонтированы внутри источника питания или непосредственно присоединены к электродам, в самой ячейке или на проводах к ячейке. Когда используются электромеханические или электронные (твердотельные) переключатели, источник питания содержит источник бесперебойного питания, а переключатели размещены парами совместно действующих сдвоенных переключателей, причем один сдвоенный переключатель попеременно соединяет анод или катод одной анодно-катодной пары с источником питания, а другой сдвоенный переключатель соединяет с источником питания электрод противоположной полярности соседней анодно-катодной пары. Такие электромеханические или твердотельные реле могут быть выполнены в виде, общеизвестном как «двухполюсный переключатель на два положения».

Когда используются диоды, источник питания содержит реверсивный источник постоянного электрического тока, а диоды скомпонованы парами противоположной полярности, причем каждая пара диодов соединена с одной анодно-катодной парой так, что все диоды, соединяющие аноды с источником питания, имеют одну полярность, а все диоды, соединяющие катоды с источником питания, имеют противоположную полярность. Для более чем двух (2) анодно-катодных пар также можно использовать единственный комплект из четырех (4) диодов так, что пара диодов контролирует ток, протекающий к одному комплекту электродных пар, соединенных параллельно, тогда как вторая пара диодов контролирует протекание тока ко второму комплекту электродных пар, также соединенных параллельно.

Для надлежащего функционирования ячейки по изобретению катоды и/или аноды, в одном варианте реализации, являются дырчатыми, чтобы предотвратить помехи течению электролита и протеканию тока. Катоды могут быть изготовлены из любого типичного катодного материала, известного в данной области техники, включая один или более из нержавеющей стали, никеля или никелевого сплава, тогда как аноды содержат титановую подложку, снабженную каталитическим покрытием, выполненным из благородных металлов или их оксидов. Такая компоновка позволяет увеличить срок службы анодного покрытия благодаря исключению его эксплуатации в режиме обращения тока, а также обеспечивает возможность применения альтернативных катодных материалов. Титановые катоды подвергаются наводороживанию, которое может оказаться дополнительным фактором, ограничивающим срок службы ячейки. Поскольку катоды ячейки в соответствии с изобретением не должны эксплуатироваться в качестве анодов, могут быть использованы альтернативные материалы, такие как нержавеющая сталь и никелевые сплавы, например, сплавы из семейств Inconel^® (инконель) или Hastelloy^® (хастелой), которые, помимо того, не требуется катализировать. Hastelloy^® является товарным знаком фирмы Haynes Ltd., а Inconel^® является товарным знаком фирмы INCO Ltd. Могут быть также применены другие металлические подложки как обоснованные для конкретного применения, в том числе цирконий, ниобий и тантал или их сплавы. В одном варианте реализации на катодную подложку может быть нанесено электрокаталитическое покрытие для способствования катодной реакции. В одном варианте реализации электрокаталитические покрытия включают металлы или оксиды платиновой группы, по отдельности или в сочетании. В еще одном варианте реализации могут быть также использованы материалы с большой площадью поверхности, такие как никелевый катализатор «никель Ренея» (Raney nickel) или прочие пористые никелевые материалы (Ni/Zn, Ni/Al, Ni/Al/Mo). Для некоторых областей применения, таких как генерирование озона, или разложение органических соединений, или органический синтез, будет подходящим использование легированного бором алмаза (BDD) в качестве анодного материала (самого по себе или нанесенного на пригодную подложку). BDD может быть также использован в качестве катодного материала, как таковой или в виде покрытия. Подобным же образом субоксиды титана (Ti), известные как фазы Магнели (например, Ti₄O₇), также могут быть использованы в качестве анодов или катодов, в виде покрытий или сплошных структур.

Катоды могут представлять собой тканые или плетеные проволочные материалы, растянутые металлы, перфорированные пластины или любые другие открытые структуры. Катоды могут быть образованы полосами или тонкими прутками с промежутками между ними для обеспечения возможности циркуляции электролита. Катоды также могут быть более короткими, чем аноды, или смещенными относительно анодов, чтобы позволять кислотному электролиту протекать поверх передней кромки катода для способствования удалению там отложений накипи. Электроды также могут содержать две или более пары концентрических цилиндров, где дырчатый катод (например, сетчатый) отформован имеющим цилиндрическую форму и затем смонтирован рядом, но не в электрическом контакте, с листовым (или сетчатым) анодом. Меньшую пару аналогично выполненных электродов затем устанавливают концентрически относительно первой пары.

Фигура 1 показывает вариант реализации ячейки (100) по изобретению. Ячейка (100) содержит по меньшей мере две анодно-катодных пары (110, 120). Первая анодно-катодная пара (110) содержит пластинчатый анод (201) и сетчатый катод (301), разделенные одним или более непроводящими элементами (401а), (401b), а вторая анодно-катодная пара (120) содержит пластинчатый анод (202) и сетчатый катод (302), разделенные одним или более непроводящими элементами (402а), (402b). Промежуток, или зазор, между анодом и катодом определяется механическими соображениями во избежание короткого замыкания анод/катод, а также засорения анода. В одном варианте реализации зазор будет составлять от примерно 0,05 мм до примерно 10 мм. В еще одном варианте реализации зазор будет составлять от примерно 0,5 мм до примерно 1,5 мм. Надлежащий промежуток между двумя соседними анодно-катодными парами также важен для обеспечения последовательной, эффективной очистки. В одном варианте реализации промежуток между анодно-катодными парами, выраженный как расстояние между катодом одной пары и обращенным к нему катодом соседней пары, будет составлять от примерно 3,0 мм до примерно 4,5 мм. В варианте реализации, проиллюстрированном на Фигуре 1, непроводящие элементы (401a,b), (402a,b) содержат множество непроводящих разрозненных разделителей, размещенных между анодно-катодными парами (110), (120). В еще одном варианте реализации непроводящий элемент содержит одну или более лент из непроводящего материала. В дополнительном варианте реализации анодно-катодные пары (110), (120) удерживаются в разделенном положении без использования непроводящего элемента, например, деталью с разрезными концами или в конфигурации с закладками.

В одном варианте реализации непроводящие элементы (401a,b), (402a,b) содержат любой неэлектропроводный материал, такой как полимерный материал, включая, но не ограничиваясь таковыми, полипропилен; политетрафторэтилен (ПТФЭ); сополимер этилена-хлортрифторэтилена (ECTFE), например, Halar^®, зарегистрированный товарный знак фирмы Ausimont Chemical Company; полиэтилен; поливинилиденфторид (ПВДФ), например, Kynar^®, зарегистрированный товарный знак фирмы E.I. DuPont De Nemours Company; поливинилхлорид (ПВХ); хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ); или неопрен. В одном варианте реализации непроводящий материал представляет собой каучуковый материал, включая, среди прочих, EPDM (каучук на основе сополимера этилена-пропилена-диенового мономера); и фторированный каучук Viton®, зарегистрированный товарный знак фирмы E.I. Du Pont De Nemours & Company.

Катоды (301), (302) обращены друг к другу, с расположенными снаружи от них сплошными анодами (201), (202), но специалист может без труда вывести другие эквивалентные компоновки электродов, например, с обращенными друг к другу дырчатыми анодами и с размещенными снаружи сплошными катодами. В одном варианте реализации как аноды, так и катоды могут быть дырчатыми.

Ячейка (100) соединена с полюсами источника (501) бесперебойного питания через исполнительное средство, содержащее два совместно действующих сдвоенных переключателя, причем первый переключатель (701) соединен с положительным полюсом (601) источника (501) питания, а второй переключатель (702) соединен с отрицательным полюсом (602) источника (501) питания. Таймер (510) или другое эквивалентное средство, известное в данной области техники, управляет одновременным срабатыванием переключателей (701) и (702), как изображено изогнутыми стрелками. Положение переключателей тем самым периодически чередуется между конфигурацией, изображенной сплошными прямыми стрелками, с анодом (201), соединенным с положительным полюсом (601), и катодом (302), соединенным с отрицательным полюсом (602), и конфигурацией, изображенной пунктирными стрелками, с анодом (202), соединенным с положительным полюсом (601), и катодом (301), соединенным с отрицательным полюсом (602). В первой из названных конфигурации электроды (201) и (302) запитываются в первом рабочем состоянии, так что эти электроды являются активными, а электроды (301) и (202) находятся во втором рабочем состоянии, так что эти электроды неактивны или находятся в разомкнутой цепи. Наоборот, в последней из названных конфигурации электроды (201) и (302) находятся в разомкнутой цепи, а электроды (301) и (202) запитываются. Например, в случае гипохлоритной ячейки для хлораторов бассейнов, подверженных накоплению отложений карбонатов кальция и магния, кислотный электролит, образовавшийся при генерировании хлора и кислорода на запитанном аноде, протекает через близлежащий катод, находящийся в разомкнутой цепи, вызывая растворение отложений. Анод другой анодно-катодной пары также находится в разомкнутой цепи и тем самым не подвергается вредной эксплуатации в качестве катода.

Фигура 2 показывает еще один вариант реализации изобретения, в котором ячейка (101) является по существу такой же, как на Фигуре 1, за исключением того, что исполнительное средство для подачи постоянного электрического тока содержит матрицу диодов (801, 810), (802, 811). Элементы, общие с ячейкой по Фигуре 1, обозначены такими же ссылочными номерами. В этом варианте реализации источник питания содержит реверсивный источник (502) постоянного электрического тока; инверсией полярности опять же управляет таймер (511) или эквивалентное средство, известное в данной области техники. Каждый электрод каждой анодно-катодной пары соединен с полюсами (603) и (603') реверсивного источника (502) тока через по меньшей мере один диод. Диоды (801) и (802), соединяющие катоды (301) и (302) с соответствующими полюсами (603) и (603'), имеют одинаковую полярность, а диоды (810) и (811), соединяющие аноды (201) и (202) с соответствующими полюсами (603) и (603'), имеют противоположную полярность, как показано на Фигуре 2. Функционирование ячейки (101) эквивалентно таковому у ячейки (100) по Фигуре 1: в то время как анод одной пары и катод другой пары запитаны, остальные катод и анод по существу пребывают в разомкнутой цепи благодаря диодной матрице, так что в любой данный момент времени есть два электрода, осуществляющих желательный электрохимический процесс (рабочий режим), а два остальных пребывают в разомкнутой цепи (режим очистки). В обоих случаях параметры, регулирующие переключение между двумя конфигурациями, могут быть без труда настроены специалистом в зависимости от требований к конкретному процессу. Например, две конфигурации могут чередоваться с временным интервалом, составляющим от нескольких минут до нескольких часов. Специалист также без труда увидит, что ячейки (100) и (101) пригодны для сборки батареи в модульной конструкции, приводящей к монополярному электролизеру требуемого размера.

Ячейки (100) по изобретению могут быть легко собраны в батарею модульным образом с другими эквивалентными ячейками, обеспечивая соединения монополярного типа с формированием электролизера. Хотя во многих случаях монополярные электролизеры являются предпочтительным вариантом для многократного повышения производительности ячейки, для других областей применения был бы преимущественным электролизер биполярного типа. В то время как ячейки согласно изобретению, как описанные ранее, не представляются пригодными для соединения по схеме биполярного типа, с помощью промежуточных узлов можно получить псевдобиполярный электролизер. Фигура 3 показывает альтернативный вариант реализации, в котором псевдобиполярная конфигурация предусматривает ячейку с удвоенной производительностью, по существу с теми же признаками и преимуществами традиционной биполярной батареи с двумя ячейками; это получается с помощью вставки промежуточных узлов, каждый из которых состоит из двух дополнительных анодно-катодных пар, в одну из ячеек согласно предшествующим фигурам. Специалист без труда увидит, что псевдобиполярная компоновка по Фигуре 3 может быть получена с любым числом таких вставленных промежуточных узлов, вплоть до достижения желательного размера. Псевдобиполярная ячейка (102) по Фигуре 3 выведена путем вставки одного узла из двух дополнительных анодно-катодных пар в ячейку (101) по Фигуре 2, но специалист легко поймет, как модифицировать ячейку (100) по Фигуре 1 для достижения по существу такого же результата.

Как показано на Фигуре 3, узел из дополнительных анодно-катодных пар ячейки (102) содержит первую дополнительную пару (130), содержащую анод (210) и катод (310), разделенные одним или более непроводящими элементами (403а) (403b), и вторую дополнительную пару (140), также содержащую анод (211) и катод (311), разделенные одним или более непроводящими элементами (404а), (404b). Эти две дополнительных пары (130), (140) узла размещены во взаимном встречно-параллельном положении и разделены непроницаемым непроводящим элементом (410). Показаны сплошные аноды и сетчатые катоды, а взаимное встречно-параллельное расположение получается вставлением непроницаемого непроводящего элемента (410) между двумя анодами (210) и (211), но специалист легко выявит различные сочетания сплошных и дырчатых электродов, размещенных и ориентированных разнообразными способами. Как показано на этой Фигуре, анод (210) первой дополнительной пары (130) соединен с катодом (311) второй дополнительной пары (140) через диод (820), а анод (211) второй дополнительной пары соединен с катодом (310) первой дополнительной пары через еще один диод (821) с полярностью, противоположной диоду (820). Этим путем, в зависимости от полярности источника (502) питания, два из катодов, например (301) и (311), и два из анодов, например (210) и (202), будут запитаны (рабочий режим), тогда как остальные аноды и катоды будут находится по существу в разомкнутой цепи (режим очистки).

На Фигуре 4 проиллюстрирован дополнительный вариант реализации изобретения. Электродный узел (900) содержит множество анодно-катодных групп (901а), (901b), (901с), в которых центральный анод (902а), (902b), (902с) расположен между катодными парами (903а), (903b), (903с) и отделен непроводящими элементами (909) с каждой стороны центрального анода (902а), (902b), (902с). На концах (904а), (904b) узла 900 находятся первая и вторая концевые анодно-катодные пары (905а), (905b). Анодно-катодные группы (901а), (901b), (901с), а также концевые анодно-катодные пары (905а), (905b) соединены каждая через диоды (906а), (906b), (906с), (906d), (906е). Концевые пары (905а), (905b) и группа (901b) соединены с полюсом (907) источника (910) питания через диоды (906а), (906с) и (906е), а группы (901а), (901с) соединены с полюсом (908) источника (910) питания через диоды (906b) и (906е).

Фигура 5 иллюстрирует вариант реализации, альтернативный Фигуре 4. Элементы, общие с узлом по Фигуре 4, обозначены такими же ссылочными номерами. Узел (950) содержит первую и вторую анодно-катодные группы (901а), (901b), содержащие центральные пластинчатые аноды (902а), (902b), размещенные между катодными парами (903а), (903b) и разделенные непроводящими элементами (909). Проиллюстрированный вариант реализации по существу эквивалентен варианту реализации по Фигуре 5, за исключением того, что соответственные электроды соединены параллельно до соединения через исполнительное средство (906а), (906b) для сведения к минимуму числа используемых диодов, по сравнению с комплектом диодов для каждой анодно-катодной группы (901а), (901b) и пары (905а), (905b), как на Фигуре 5.

Примеры

Нижеследующие примеры включены для демонстрации конкретных вариантов реализации изобретения. Специалистам должно быть понятно, что методики, раскрытые в приведенных ниже примерах, представляют собой методики, обнаруженные авторами изобретения хорошо действующими при реализации изобретения на практике, и тем самым могут рассматриваться как составляющие предпочтительные варианты для его практической реализации. Однако специалисты должны в свете настоящего описания понимать, что в конкретных раскрытых вариантах реализации можно проделать многочисленные изменения и по-прежнему получить сходный или аналогичный результат без отклонения от объема изобретения.

Пример 1

Титановый анод (толщиной 0,89 мм) покрыли имеющимся в продаже покрытием RuO₂/TiO₂ (фирмы ELTECH Systems Corp., Шардон, Огайо, США). Катод представлял собой титановую растянутую сетку (толщиной 0,89 мм), которая была протравлена в 18%-ной HCl при 90°С. Электроды обрезали до размеров 5,5 см × 15,25 см. К аноду прикрепили 3,2-миллиметровый титановый стержень, и еще один - к катоду. Пару электродов изготовили помещением маленькой резиновой прокладки (0,55 мм) на каждом углу анода и затем прижатием сетчатого катода к аноду с помощью пластмассовых зажимов. К каждому электроду присоединили 6-амперный диод (Radio Shack 276-1661), ориентированный так, что анодный ток мог бы протекать к аноду, а катодный ток - к катоду. Противоположные электродам концы диодов соединили между собой. Две таких анодно-катодных пары вставили в пластмассовый корпус, оснащенный на каждом конце двухдюймовыми (5,08 см) в диаметре резьбовыми муфтами для образования электрохимической ячейки. Положительный вывод источника питания постоянного тока присоединили к одной электродной паре через диоды и отрицательный вывод - к другой электродной паре. Приготовили две таких ячейки. Обе ячейки подсоединили к рециркуляционному насосу (30 г/мин), присоединенному к резервуару емкостью 150 галлонов (568 л), содержащему 4 г/л NaCl с 300 мг/л Са (в виде карбоната кальция). Ячейки эксплуатировали при 310 А/м² при комнатной температуре (примерно 20-25°С) в течение 1 недели. Одну ячейку эксплуатировали без обращения тока. Другую ячейку эксплуатировали с обращением тока каждые 3 часа, используя электронный таймер/реле. Через 1 неделю ячейки вскрыли и изучили на наличие отложений накипи. Нереверсировавшийся катод был покрыт обильным налетом отложений накипи, забившим сетчатую структуру, оценочно имеющим толщину примерно 5 мм. Реверсировавшаяся ячейка имела отложения менее 2 мм. Ячейки очистили и вновь запустили в эксплуатацию с использованием 6-часового цикла реверсирования. Через 1 неделю изучение катодов показало лишь минимальное отложение.

Пример 2

Две пары электродов, как в Примере 1, эксплуатировали в 4 г/л NaCl, 70 г/л Na₂SO₄, при комнатной температуре при 1000 А/м² с обращением тока каждую 1 минуту до резкого повышения напряжения, указывающего на пассивацию. Для этого потребовалось время в 1750 часов и 1950 часов для двух отдельных испытаний. Для сравнения, работа с одинаковым материалом как анода, так и катода, т.е. без присоединенного сетчатого катода, имела результатом сроки службы только 226 часов и 273 часа. Таким образом, срок службы покрытой титановой подложки по изобретению в среднем продлен более чем в 7 раз.

Пример 3

Ячейку, содержавшую две пары электродов, как в Примере 1, эксплуатировали, как в Примере 1, с периодичностью обращения тока 10 минут, 1 час, 3 часа и 6 часов. Через 5-8 дней работы накопившиеся отложения накипи были значительно меньшими, чем для ячейки, работавшей без обращения тока.

Пример 4

Комплект (2 пары) электродов (5,3 × 15,3 см) смонтировали в корпусе хлоратора плавательного бассейна. Через хлоратор бассейна циркулировал электролит из цистерны емкостью 500 галлонов. Электролит представлял собой 4 г/л NaCl с 300 мг/л Са (в виде СаСО₃), рН 7,6-8,0, комнатная температура (20-25°С). Корпус второго хлоратора бассейна был оснащен идентичным комплектом электродов (включая диоды) и размещен последовательно с потоком электролита первой ячейки (но после первой ячейки). Первую ячейку соединили с источником питания и таймером-реле для реверсирования тока каждые 3 часа. Вторую ячейку соединили с идентичным источником питания, но для этой ячейки ток не реверсировали. Ячейки работали непрерывно в течение ~3,5 дней при 30 мА/см². После извлечения и разборки электроды имели внешний вид, показанный на фотографии на Фигуре 6. Сетчатый катод в нереверсированной ячейке (комплект с левой стороны) был почти заполнен отложениями накипи. Соседний (неработающий) анод также имел отложение накипи. Анод и неработающий катод были чистыми, как и ожидалось. Для ячейки с периодическим реверсированием тока (комплект с правой стороны на Фигуре 6) имело место легкое отложение накипи на катоде, который был «выключен» последним (катод с правой стороны на Фигуре 6), тогда как несколько более сильное отложение было на катоде, который был «включен» последним (катод, второй справа). Оба были существенно меньше покрыты накипью, чем контрольный катод. Анодно-катодная пара в центре Фигуры 6 состоит из неработавших электродов для сравнения.

Таким образом, можно видеть, что с течением времени накипь в нереверсированной ячейке накапливалась бы до такой степени, что производительность ячейки снижалась бы, тогда как реверсированная ячейка может продолжать работать неопределенно долго, так как накипь периодически удаляется.

Вышеприведенное описание не должно восприниматься ограничивающим изобретение, которое может быть реализовано на практике согласно различным вариантам реализации без отклонения от его объема и рамки которого определены прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к области электрохимии и может быть использовано для электролитической обработки воды. Ячейка содержит по меньшей мере первую и вторую анодно-катодную пару, причем каждая из анодно-катодных пар содержит катод и анод, разделенные непроводящим элементом, на расстоянии, составляющем в диапазоне от примерно 0,05 мм до примерно 10 мм, и по меньшей мере одно исполнительное средство, соединяющее первую и вторую анодно-катодные пары с источником питания. Упомянутые исполнительное средство и источник питания пригодны для попеременной подачи постоянного электрического тока в первом рабочем состоянии к катоду первой анодно-катодной пары и к аноду второй анодно-катодной пары, причем остальные катод и анод находятся в разомкнутой цепи, и во втором рабочем состоянии к катоду второй анодно-катодной пары и к аноду первой анодно-катодной пары, причем остальные катод и анод находятся в разомкнутой цепи. Обеспечивается предотвращение накопления накипи или подобных загрязнений без привлечения вредного изменения направления тока. 6 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил., 4 пр.

1. Электрохимическая ячейка, содержащая по меньшей мере первую и вторую анодно-катодную пару электродов, причем каждая из упомянутых анодно-катодных пар содержит катод и анод, разделенные непроводящим элементом, на расстоянии, составляющем в диапазоне от примерно 0,05 мм до примерно 10 мм, и по меньшей мере одно исполнительное средство, соединяющее упомянутые первую и вторую анодно-катодные пары с источником питания, причем упомянутое исполнительное средство и упомянутый источник питания пригодны для попеременной подачи постоянного электрического тока:
- в первом рабочем состоянии к упомянутому катоду упомянутой первой анодно-катодной пары и к упомянутому аноду упомянутой второй анодно-катодной пары, причем остальные катод и анод находятся в разомкнутой цепи, и
- во втором рабочем состоянии к упомянутому катоду упомянутой второй анодно-катодной пары и к упомянутому аноду упомянутой первой анодно-катодной пары, причем остальные катод и анод находятся в разомкнутой цепи.

2. Ячейка по п.1, в которой упомянутое по меньшей мере одно исполнительное средство содержит матрицу диодов или электромеханических или электронных переключателей.

3. Ячейка по п.1 или 2, в которой расстояние между анодами и катодами в каждой паре составляет в диапазоне от примерно 0,5 мм до примерно 1,5 мм.

4. Ячейка по п.3, в которой расстояние между катодом одной пары и обращенным к нему катодом соседней пары составляет в диапазоне от примерно 3,0 мм до примерно 4,5 мм.

5. Ячейка по п.2, в которой упомянутый источник питания содержит реверсивный источник постоянного электрического тока, а упомянутая матрица диодов содержит первую и вторую пару диодов, причем диоды каждой пары имеют противоположную полярность, упомянутая первая пара диодов соединена с упомянутой первой анодно-катодной парой, а упомянутая вторая пара диодов соединена с упомянутой второй анодно-катодной парой, упомянутые диоды, соединяющие упомянутые катоды с упомянутым источником питания, имеют одинаковую полярность, упомянутые диоды, соединяющие упомянутые аноды с упомянутым источником питания, имеют противоположную полярность по отношению к упомянутым диодам, соединяющим упомянутые катоды с упомянутым источником питания.

6. Ячейка по п.2, в которой упомянутый источник питания представляет собой источник бесперебойного питания, а упомянутые электромеханические или электронные переключатели содержат первый и второй совместно действующие сдвоенные переключатели, причем упомянутый первый сдвоенный переключатель попеременно соединяет упомянутый анод или упомянутый катод упомянутой первой анодно-катодной пары с упомянутым источником питания, а упомянутый второй сдвоенный переключатель попеременно соединяет упомянутый катод или упомянутый анод упомянутой второй анодно-катодной пары с упомянутым источником питания.

7. Ячейка по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере один узел, включающий в себя две дополнительные анодно-катодные пары, размещенные между упомянутыми первой и второй анодно-катодными парами, причем каждая дополнительная пара состоит из катода и анода, разделенных непроводящей средой, упомянутые дополнительные анодно-катодные пары расположены во встречно-параллельном положении и разделены непроводящей непроницаемой средой, анод упомянутой первой дополнительной анодно-катодной пары соединен с катодом упомянутой второй дополнительной анодно-катодной пары через по меньшей мере один первый диод, анод упомянутой второй дополнительной анодно-катодной пары соединен с катодом упомянутой первой дополнительной анодно-катодной пары через по меньшей мере один второй диод, упомянутый по меньшей мере один первый диод и упомянутый по меньшей мере один второй диод упомянутых дополнительных анодно-катодных пар имеют противоположную полярность.

8. Ячейка по п.1, в которой упомянутые катоды являются дырчатыми.

9. Ячейка по п.1, в которой конструкционный материал упомянутых катодов содержит один или более из следующих: титан, цирконий, тантал, ниобий и их сплавы, нержавеющая сталь, никель и никелевые сплавы, легированный бором алмаз, графит или стекловидный углерод.

10. Ячейка по п.1, в которой катодный материал снабжен электрокаталитическим покрытием, содержащим металлы платиновой группы или их оксиды и/или легированный бором алмаз.

11. Ячейка по п.1, в которой упомянутые аноды содержат титановую подложку, снабженную покрытием из оксидов благородных металлов.

12. Ячейка по п.1, в которой упомянутые аноды содержат подложку, снабженную покрытием из легированного бором алмаза, или в которой используется свободностоящий анод из легированного бором алмаза.

13. Ячейка по п.1, в которой упомянутые аноды и/или катоды содержат субоксид титана фазы Магнели либо в виде покрытия на металлической подложке, либо в виде сплошного электрода.

14. Ячейка по п.1, дополнительно содержащая множество анодно-катодных групп, содержащих центральный анод, расположенный между парами катодов, при этом упомянутые первая и вторая анодно-катодные пары содержат первую и вторую концевые анодно-катодные пары на концах ячейки, а упомянутое исполнительное средство способно направлять анодные токи к аноду и катодные токи к катоду.

15. Ячейка по п.14, в которой каждый электрод каждой анодно-катодной пары соединен с полюсами реверсивного источника тока через по меньшей мере одно исполнительное средство.

16. Ячейка по п.14, в которой каждый электрод каждой анодно-катодной группы соединен параллельно до соединения с исполнительным средством.

17. Монополярный электролизер, содержащий модульную компоновку ячеек по любому из пп.1-16.

18. Применение электрохимической ячейки по любому из пп.1-16 для генерирования кислорода или гипохлорита.

19. Применение электрохимической ячейки по любому из пп.1-16 для биоцидной обработки балластной воды.

20. Применение электрохимической ячейки по любому из пп.1-16 для хлорирования воды плавательных бассейнов.

21. Анодно-катодная пара электродов для электрохимической ячейки, содержащая катод и анод, разделенные непроводящим элементом, на расстоянии, составляющем в диапазоне от примерно 0,05 мм до примерно 10 мм, и выполненная с возможностью соединения с источником питания и с исполнительным средством, направляющим анодные токи к аноду и катодные токи к катоду, при этом упомянутый анод или упомянутый катод упомянутой пары электродов выполнены с возможностью попеременной работы в первом рабочем состоянии или втором рабочем состоянии.

22. Анодно-катодная пара по п.21, при этом упомянутое первое рабочее состояние представляет собой активное состояние, а упомянутое второе рабочее состояние представляет собой неактивное состояние или разомкнутую цепь.