СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ И ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ Российский патент 2015 года по МПК B01D17/06 

Способ электрохимического разделения несмешивающихся жидкостей и дисперсных систем.

Описание изобретения.

Способ может быть реализован на предприятиях металлургической, машиностроительной и других областях промышленности для очистки сточных вод, различных природных водных объектов; в нефтяной промышленности для разделения прямых, обратных, множественных эмульсий вода-нефть, золей, взвесей, суспензии и др.

Существует несколько электрохимических методов очистки сточных вод: анодное окисление, катодное восстановление растворенных веществ, электрокоагуляция и электродиализ. Из них наибольшее распространение получил метод электрокоагуляции, который может быть применен для удаления из сточных вод мелкодисперсных и органических примесей, эмульсий, масел, жиров, нефтепродуктов, хроматов, фосфатов и др.

Основными недостатками внедряемых на сегодняшний день в промышленности электрохимических методов очистки жидкостей является высокая энергоемкость ~1-1,5 кВт ч/куб. м, высокая металлоемкость за счет расходных электродов (Al ~ 70 г/куб. м, Fe ~ 100…250 г/куб.м) и низкая пропускная способность электрокоагуляторов, преимущественно работающих в ламинарном режиме (см., например ISSN 2078-3981 Научно-практический журнал «Экология производства» №4, 2012 г.).

Цель изобретения - повысить эффективность разделения несмешивающихся жидкостей, золей, взвесей, суспензий и др., уменьшение энергозатрат и снижение материалоемкости. Снижение расхода применяемой в технологическом цикле реагентной базы, частичный или полный отказ от ее использования, возможность управления технологическим процессом.

Достижение цели заключается в совместном применении электрокоагуляции-переполяризации - электродеполяризации и «линии задержки» (оборудование для раздела фаз имеющее различные конструкции и принципы действия: отстойники, сепараторы и другие технические устройства). Осуществление электрокоагуляции-переполяризации и электродеполяризации достигается расположением разнородных электродных пар в корпусах выполненных из электроизоляционных материалов. Учитывая тот факт, что все электрохимические процессы с максимальной эффективностью происходят на границе - поверхность электрода/жидкость, способ размещения одного из электродов предполагает достижение максимальной контактирующей поверхности - с максимальной жидкостным протоком, а второй электрод расположен в зоне с минимальной жидкостным протоком.

Основные процессы способа

Электрокоагуляция-переполяризация (ЭКП). На электродную пару, установленную в секции, подается постоянное напряжение от источника постоянного тока или от источника тока, работающего в импульсном режиме (частота импульсов зависит от скорости жидкостного протока). Выбор подаваемого на электродную пару напряжения зависит от материала электродов и объема прокачиваемой жидкости.

Вклад газовыделения, являющийся результатом электролизных процессов, с учетом общего газового фона прокачиваемой жидкости пренебрежимо мал, поэтому влияние газового фактора в способе не рассматривается, так как в способе основная часть мощности, подаваемая на электродную пару от источника постоянного тока, расходуется не на инициирование электролизных процессов, а на переполяризационные процессы.

Элекродеполяризация (ЭД). Управление электродеполяризацией осуществляется следующим образом:

1. Измеряется при полном заполнении отсека прокачиваемой жидкостью наведенный на электродной паре потенциал без протока.

2. В режиме жидкостного протока электродная пара подключается к источнику постоянного тока или источнику тока, работающему в импульсном режиме, с последующим отключением и замером напряжения на электродной паре. При подключении электродной пары к источнику питания происходит увеличение разности потенциала до момента резкого возрастания потребляемой мощности, которое регистрируется резким возрастанием вольт-амперных характеристик на электродной паре и является началом электролизных процессов.

3. В режиме жидкостного протока электродная пара отключается от источника питания с подключением к ней нагрузки, подобранной таким образом, что выделяемая мощность соответствует накапливающемуся на электродной паре заряду, но не позволяющей резкому сбросу напряжения ниже установленного по п. 1 значения.

Выход жидкостного протока из ЭКП соединен со входом в ЭД, длина соединительного устройства подбирается таким образом, чтобы минимизировать воздействие наведенных на электродных парах потенциалов друг на друга.

Для оптимизации процессов, перечисленных в способе, производят подбор материала электродов и выбор полярности электродных пар, осуществляемых в зависимости от электрохимических свойств прокачиваемой жидкости ее катионно-анионного состава, соотношения несмешивающихся фракций и т.д. Электроды выполняются различной конструкции, с подбором отношения площадей анод/катод.

Предлагаемый способ поясняется следующим примером.

Установка работает следующим образом - нефтяная эмульсия с характеристиками: ρ=1.17…1,18 г/куб см, М=280…310 г/л, pH=3…6, состав рассола Cl Na Ca типа с высоким содержанием сульфидной серы (~30 г/л, S 2-), количество остаточного нефтепродукта от 150…1000 мг/л, количество механических примесей - 50…60 мг/л (здесь под остаточным содержанием нефтепродукта подразумевается общее количество экстрагируемых толоулом фракций, влияющих на оптическую плотность при спектрофотометрическом методе определения), поступает в ЭКП.

Способ управления осуществляется следующим образом:

Жидкость, предназначенная для разделения, подается до полного заполнения корпусов ЭКП и ЭД. На установленные в ЭКП электроды Al «+» и Cu «-» подается постоянное напряжение первоначально - 6 В от источника питания постоянного тока, I ~ 1А. При объеме прокачиваемой жидкости ~ 1 куб. м/час. Анод - А1 «+» устанавливается на выходе жидкостного протока из ЭКП в ЭД. Катод - Cu «-» электрод размещен в зоне с минимальным жидкостным протоком. В нашем случае объем отсеков ЭКП и ЭД составляет 2,8 л каждый, длина соединительного устройства ЭКП и ЭД составляла 450 мм и с площадью поперечного сечения 20 кв. см для минимизации воздействия наведенных потенциалов двух электродных пар ЭКП и ЭД друг на друга. Площадь сечения соединительного устройства выбирается в зависимости от количества необходимой для прокачки (производительность) жидкости с данными гидродинамическими свойствами при заданном давлении.

ЭД представляет собой биполярную электрическую систему с двумя разнородными электродами Анод - C «+» и Катод - Cu «-». Катод - Cu «-» также размещен в зоне с минимальным жидкостным протоком с прохождением основного жидкостного протока через Анод - С «+», расположенный по всей высоте электродного отсека (его площадь и конструкция также определяется необходимостью обеспечить максимальную контактную площадь с протекающей жидкостью с большим жидкостным протоком по отношению к Катоду - Cu «-»).

Управление электродной парой ЭД осуществляется следующим образом:

1. Измеряется (при полном заполнении отсека ЭД) наведенный на электродной паре потенциал (в нашем случае он составлял - 0,4 В).

2. Подключаем электродную пару к источнику питания постоянного тока в режиме жидкостного протока 6 В на короткое время ~1 мин.

3. Отключаем источник питания от электродов ЭД и заново измеряем на электродной паре наведенный потенциал в режиме жидкостного протока. В нашем случае он составлял 1,3 В, и удерживался сколь угодно долго. При повторном подключении к электродной паре источника питания 6 В увеличение разности потенциала выше 1,3 В инициировало электролизные процессы и приводило к резкому увеличению потребляемой мощности.

4. После того как на электродной паре ЭД установился наведенный заряд (в нашем случае 1,3 В) к электродной паре подключается нагрузка, потребляемая мощность которой подбирается в соответствии с накапливающимся на электродной паре заряду: зависит от площади контакта вода - несмешивающаяся органическая фаза - газовая фракция, мех. примеси; т.е. от площади двойного электрического слоя и скорости протока эмульсии - чем меньше глобулы, тем больше площадь; чем выше скорость протока, тем больше скорость нарастания электродного заряда (в нашем случае при скорости протока 1 куб. м/ час и соотношения вода/нефть до 1000/1 достаточно было 5 mA потребителя мощности). Подобранная таким образом нагрузка не позволяла снижать накапливаемый на электродной паре ЭД потенциал менее 0,7…0,8 В (так как при резком увеличении сброса наводимого за счет выше указанных процессов заряда на электродных парах и как следствие - падение разности потенциала менее 0,6 В наблюдалось резкое снижение эффективности работы установки).

Дальнейшая корректировка показателей степени очистки выходной жидкости возможна за счет изменения подачи напряжения на электродную пару ЭКП.

Прошедшая через ЭКП и ЭД эмульсия поступала в отстойник, где пробы отбирались после 12-минутного отстоя из средней части отстойника (отстойник объемом 200 л, скорость прохождения 1 куб. м/час или 5 объемов в час).

На выходе были получены следующие результаты:

- снижение остаточного содержания нефтепродуктов в воде с 150…1000 мг/л до 5 мг/л (независимо от резкого изменения входных параметров концентрации остаточного нефтепродукта в воде);

- снижение содержания механических примесей - с 50…60 мг/л до 20…25 мг/л:

- общее энергопотребление составило ~10 Вт/м³ прокачиваемой жидкости.

Необходимыми условиями для реализации способа электрохимического разделения несмешивающихся жидкостей и дисперсных систем, приводимых в примере, являются:

1. Наличие в эмульсии электролита, наиболее интенсивно раздел фаз происходит при pH<6. При смещении pH в сторону нейтральной и щелочной среды допускается подкисление совместимой (без образования малорастворимых соединений) с данным геохимическим объектом реагентом. При невозможности этого (экономическая нецелесообразность при больших объемах эмульсии, невозможность прокачки из-за низкой коррозионной стойкости оборудования) предусматривается замена материала электродной пары с переполяризацией электродов, подбираемых для каждого прокачиваемого типа электролита (Анод для ЭД - стойкий к окислительно-восстановительным процессам в щелочных средах).

2. Наличие жидкостного протока (все процессы происходят в динамическом режиме).

3. При высоком содержании нефтепродуктов в эмульсии как диэлектрической составляющей конструкция электродных сегментов предусматривает предварительную заливку электролита в корпусные отстойники и установку ответного электрода (проходного) ниже уровня с жидкостного протока.

4. Интервал рабочей разности потенциалов в ЭКП подбирается для каждого типа эмульсии отдельно и зависит от материала электродов и катионно-анионного состава электролита и устанавливается в процессе пробной прокачки, что позволяет оптимизировать процесс и предоставляет возможность им управлять.

Все описанные в данной способе электрохимические процессы не противоречат принципам теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (см. для примера Щукин Е.Д. Перцов А.В. Амелина Е.А. Коллоидная химия. М., 2004).

Схема, поясняющая способ, изображена на Фиг. 1.

Исходная жидкость поступает через вход 1 в ЭКП 2, основной поток которой проходит через Анод 3, а Катод 4 расположен в зоне с минимальным жидкостным протоком 5. Выход жидкостного протока из ЭКП соединен с входом в ЭД соединительным устройством 6. Поступающая в ЭД 7 жидкость, основной поток которой проходит через Анод 8, а Катод 9 расположен в зоне с минимальным жидкостным протоком 10. Жидкость с выхода ЭД 11, из установки ЭКП-ЭД 12, поступает для дальнейшего гидродинамического или гидростатического раздела фаз 13.

Заявленный способ повышает эффективность разделения несмешивающихся жидкостей: прямых, обратных, множественных эмульсий вода-нефть, золей, взвесей, суспензии и др., упрощает технологию и аппаратное оформление процесса и может быть реализован в различных отраслях промышленности. Устройство по реализации способа работает как в ненапорном, так и в напорном режиме, что расширяет области ее применения. Высокая конструкционная адаптированность к различным промышленным технологическим схемам (как самостоятельная, так и встраиваемая в технологический процесс конструкция). Высокая производительность за счет работы в турбулентном режиме. Применение данного способа в нефтяной промышленности при закачивании жидкости в пласт позволяет значительно снижать кольматационную нагрузку на коллектор.

Изобретение относится к способу электрохимического разделения несмешивающихся жидкостей и дисперсных систем, включающему: a) электрокоагуляцию-переполяризацию с использованием Al-анода и Cu-катода с размещением катода в зоне с минимальным жидкостным протоком и прохождением основного жидкостного протока через анод, с последующей электродеполяризацией с использованием C-анода и Cu-катода с размещением катода в зоне с минимальным жидкостным протоком и прохождением основного жидкостного протока через анод, с размещением каждой электродной пары в отдельных корпусах с межкорпусным соединительным устройством, выполненных из электроизоляционных материалов, с последующим гидродинамическим или гидростатическим разделением на фракции, причем допускается замена материала электродных пар и их конструкции, с изменением соотношения площадей анод/катод; b) управление электрокоагуляцией-переполяризацией осуществляется посредством задаваемой на электродной паре разности потенциалов подаваемой на электродную пару от источника постоянного тока или источника тока, работающего в импульсном режиме, при которой основная часть мощности расходуется не на инициирование электролизных процессов сопровождающихся анодным растворением, а на переполяризацию поверхностных зарядов; c) управление электродеполяризацией осуществляется с начальным повышением разности потенциала на электродной паре с помощью источника постоянного тока или источника тока, работающего в импульсном режиме, до значений, характеризующихся началом электролизных процессов с последующим отключением от источника питания и подключением к электродной паре нагрузки, соответствующей накапливающемуся на электродной паре заряду, и все управление осуществляется в режиме жидкостного протока. Использование настоящего способа позволяет повысить эффективность разделения несмешивающихся жидкостей, золей, суспензий, уменьшить энергозатраты и снизить материалоемкость. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ электрохимического разделения несмешивающихся жидкостей и дисперсных систем, включающий:
a) электрокоагуляцию-переполяризацию с использованием Al-анода и Cu-катода с размещением катода в зоне с минимальным жидкостным протоком и прохождением основного жидкостного протока через анод, с последующей электродеполяризацией с использованием C-анода и Cu-катода с размещением катода в зоне с минимальным жидкостным протоком и прохождением основного жидкостного протока через анод, с размещением каждой электродной пары в отдельных корпусах с межкорпусным соединительным устройством, выполненных из электроизоляционных материалов; с последующим гидродинамическим или гидростатическим разделением на фракции, причем допускается замена материала электродных пар и их конструкции с изменением соотношения площадей анод/катод;
b) управление электрокоагуляцией-переполяризацией осуществляется посредством задаваемой на электродной паре разности потенциалов, подаваемой на электродную пару, от источника постоянного тока или источника тока, работающего в импульсном режиме, при которой основная часть мощности расходуется не на инициирование электролизных процессов, сопровождающихся анодным растворением, а на переполяризацию поверхностных зарядов;
c) управление электродеполяризацией осуществляется с начальным повышением разности потенциала на электродной паре с помощью источника постоянного тока или источника тока, работающего в импульсном режиме, до значений, характеризующихся началом электролизных процессов с последующим отключением от источника питания и подключением к электродной паре нагрузки, соответствующей накапливающемуся на электродной паре заряду, и все управление осуществляется в режиме жидкостного протока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предусматривается смена полярности электродных пар в зависимости от электрохимических свойств и химического состава прокачиваемой жидкости.