УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2018 года по МПК C02F1/461 

Изобретение относится к устройствам для электрохимической активации воды и водных растворов и предназначено для регулирования рН воды и водных растворов в производственных условиях.

Известно устройство для активации воды, содержащей незначительное количество минеральных солей, методом электролиза под действием постоянного электрического тока в специальном двухкамерном электролизере, разделенном ионопроводящей диафрагмой (В.М. Бахир. Электрохимическая активация. - М.: ВНИИИМТ, 1992, ч. 1, с. 233-237), в результате которой получаются две фракции воды: щелочная (католит), насыщенная ионами ОН^- (рН 7-12), и кислая (анолит), насыщенная ионами Н⁺ (рН 2-7). Сущность этого изобретения реализована в устройстве (приборе) «Мелеста» (Изготовитель: ООО МВП «Мелеста», Россия, г. Уфа, ул. Ш. Руставели, 19), предназначенного для приготовления в домашних условиях в небольших объемах двух типов воды: католита (щелочной воды) и анолита (кислой воды). Устройство (прибор) состоит из основной открытой емкости, изготовленной из пищевой пластмассы, съемной верхней крышки с электродами и блоком питания, тканевого стакана, выполняющего функцию диафрагмы между катодом и анодом и вставляемого в основную емкость.

Известен также бытовой активатор воды (см. патент РФ 2226508. Кл. C02F 1/461, 2004 г.), содержащий реактор, состоящий из диэлектрического корпуса, разделенного ионопроницаемой диафрагмой на анодную и катодную камеры, с электродами и блоком питания, прикрепленными к крышке корпуса.

Недостатками известных устройств является низкая производительность и неравномерный объем активированной воды в анодной (0,2-0,3 л анолита) и катодной (0,6-0,7 л католита) частях установки, в результате разная степень изменения рН анолита и католита, низкая величина силы тока, что не позволяет получить высокую напряженность электрического поля между электродами. За счет малого объема анолита по сравнению с католитом быстро наступает перегрев анолита и его вскипание с переливом в отсек католита. Малая толщина пластмассы основной емкости приводит к быстрому появлению трещин и разрушению материала под действием электрического поля.

Известна являющаяся ближайшим аналогом промышленная установка для электрохимической активации воды согласно патенту RU 2542316. Промышленная установка для электрохимической обработки воды имеет несколько реакторов, разделенных по парам. Каждая пара реакторов имеет шкаф управления и силовое электрическое оборудование, систему подачи воды, сборные емкости для активированной воды, насосное оборудование для ее транспортировки и систему вентиляции. Каждый реактор объемом 200 л выполнен из диэлектрического материала, анодная и катодная камеры с электродами разделены ионопроницаемой диафрагмой, электрод анодной камеры выполнен из листа титана, свернутого в виде разрезанного цилиндра высотой 850 мм и диаметром 175-180 мм, электрод катодной камеры - из нержавеющей стали в виде разрезанного цилиндра высотой 850 мм и диаметром 275-280 мм, а ионопроницаемая диафрагма - из хлопчатобумажной фильтровальной ткани. При этом реакторы в паре включены между собой с возможностью работы по очереди - один в режиме производства электрохимической активированной воды, а другой - в режиме подготовки.

К недостаткам установки относятся следующие. Во-первых, применение хлопчатобумажной фильтровальной ткани не обеспечивает надежного разделения. Через любую фильтровальную ткань проникает жидкость, следовательно, смешение католита и анолита, по этой причине неизбежно и часть ионов ОН^- католита нейтрализуются ионами водорода Н⁺ анолита. Скорость активации и эффективность работы из-за этого снижаются. Во-вторых, применение чистого титана, обладающего большим сопротивлением, в качестве анода приводит к повышению напряжения на установке, быстрому разогреву растворов, повышенному расходу электроэнергии. В-третьих, большое межэлектродное расстояние также приводит к повышению напряжения на установке, к быстрому разогреву растворов, повышенному расходу электроэнергии. В-четвертых, использование цельных без перфорации электродов способствует повышению газонаполнения в электродном пространстве, что приводит к повышенному расходу электроэнергии.

Изобретение направлено на решение задачи уменьшения расхода электроэнергии на единицу объема и повышения производительности за счет предотвращения смешивания католита и анолита и повышения скорости процесса активации, а также за счет уменьшения межэлектродного расстояния и рабочего напряжения в устройстве.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для электрохимической активации воды и водных растворов, содержащем систему подачи воды, блок питания и реактор с диэлектрическим корпусом, в котором размещены разноименные электроды и ионопроницаемая диафрагма, согласно изобретения предлагается ионопроницаемую диафрагму выполнить в виде биполярной ионообменной мембраны, катионообменная сторона которой обращена к катодному пространству, а анионообменная сторона - к анодному пространству, а общий корпус выполнить прямоугольным с внутренним объемом являющимся катодным пространством, вмещающим заданное число соединенных параллельно электродных блоков, каждый из которых содержит электродную коробку, выполненную из полимерного материала с вырезами на противоположных сторонах, в которых, с помощью крепежных средств герметично установлены биполярные ионообменные мембраны, при этом анод, размещен во внутреннем, анодном, пространстве электродного блока так, что, обе стороны анода являются рабочими, а выполненные в виде пластин катоды установлены снаружи электродной коробки соответственно местоположению биполярных ионопроницаемых мембран так, что расстояние между катодом и анодом определяется толщиной биполярной ионообменной мембраны с крепежными средствами.

Электроды могут быть выполнены с перфорацией, при этом диаметр перфорационных отверстий выполнен преимущественно 5 мм, а шаг отверстий преимущественно 10 мм.

Электроды анодного пространства - аноды могут быть выполнены из листа титана, покрытого оксидом рутения с 2-х сторон.

Средства крепления биполярной ионообменной мембраны могут быть выполнены в виде прижимных элементов с элементами уплотнения. Прижимной элемент может быть выполнен в виде рамки из полимерного материала, а элементы уплотнения выполнены из резины.

Выполнение ионопроницаемой диафрагмы в виде биполярной ионообменной мембраны, катионообменная сторона которой обращена к катодному пространству, а анионообменная сторона - к анодному пространству, предотвращает смешивание католита и анолита и повышает скорость процесса активации воды.

Выполнение общего корпуса реактора прямоугольным с внутренним объемом являющимся катодным пространством, вмещающим заданное количество соединенных параллельно электродных блоков, каждый из которых содержит электродную коробку, выполненную из полимерного материала с вырезами на противоположных сторонах, в которых, с помощью крепежных средств герметично установлены биполярные ионообменные мембраны, при этом аноды, размещены во внутреннем, анодном, пространстве электродного блока так, что обе стороны анода являются рабочими, а выполненные в виде пластин катоды установлены снаружи корпуса электродного блока соответственно местоположению биполярных ионопроницаемых мембран так, что расстояние между катодом и анодом определяется толщиной биполярной ионообменной мембраны с крепежными средствами, обеспечивает значительное, почти на порядок, снижение межэлектродного расстояния, т.е. расстояния между катодом и анодом, что снижает сопротивление между этими электродами и также приводит к снижению рабочего напряжения устройства.

Выполнение электродов с перфорацией, при этом диаметр перфорационных отверстий выполнен преимущественно 5 мм, а шаг отверстий преимущественно 10 мм способствует обеспечению лучшей циркуляции анолита и католита и быстрому удалению выделяющегося кислорода.

Выполнение анодов из листа титана, покрытого оксидом рутения с 2-х сторон обеспечивает значительно меньшее сопротивление, чем при выполнении их из титана, что уменьшает рабочее напряжение в устройстве.

Выполнение средства крепления биполярной ионообменной мембраны в виде прижимных элементов с элементами уплотнения, например, в виде рамки из полимерного материала с элементами уплотнения из резины, обеспечивают герметичность электродной коробки, предотвращая смешивание католита и анолита.

Вышеперечисленные отличия позволяют уменьшить расход электроэнергии на единицу объема за счет предотвращения смешивания католита и анолита и повышения скорости процесса активации, а также за счет уменьшения межэлектродного расстояния и рабочего напряжения в устройстве, а следовательно, и снизить стоимость обработки воды.

На фигуре приведена схема устройства для электрохимической активации воды и водных растворов.

Предлагаемое устройство для электрохимической активации воды и водных растворов, приведенное на фигуре, содержит реактор с общим корпусом 1, включающий электродный блок с электродной коробкой 2, выполненной из полимерного материала с вырезами на противоположных сторонах, в которых, с помощью на фигуре не показанных крепежных средств герметично установлены биполярные ионообменные мембраны 11. Аноды 4 размещены во внутреннем, анодном, пространстве электродного блока так, что, обе стороны анодов 4 являются рабочими. Выполненные в виде пластин катоды 3 установлены снаружи электродной коробки 2 соответственно местоположению биполярных ионопроницаемых мембран 11 так, что расстояние между катодом и анодом определяется толщиной биполярной ионообменной мембраны 11 и крепежного средства с уплотняющим элементом (на фигуре не показаны). Электроды 3, 4 подключены соответственно к отрицательной и положительной шине не показанного на фигуре блока питания. Устройство содержит также систему вентиляции (на фигуре не показана) и систему подачи воды, включая сборник 5 анолита, соединенный через насос 6 и не показанный на фигуре напорный бак с патрубком 9 подачи анолита и патрубком 10 выхода анолита. Патрубок 7 и патрубок 8 являются патрубком подачи исходной воды и патрубком выхода католита соответственно. Устройство может работать как в проточном, так и в стационарном режимах, а также в проточном режиме - катодное пространство, анодное в режиме замкнутого цикла, или наоборот.

Электродная коробка 2 выполнена из полимерного материала, и имеет с 2-х противоположных сторон прямоугольные вырезы, которые закрываются биполярной мембраной 11.

Анод 4 выполнен из листа титана, покрытого оксидом рутения с 2-х сторон. На аноде 4 сделана перфорация (на фигуре не показана) с диаметром отверстий 5 мм и с шагом 10 мм для обеспечения хорошей циркуляции анолита и быстрого удаления выделяющегося кислорода

Катод 3 выполнен из листа с перфорацией диаметром 5 мм с шагом 10 мм для обеспечения хорошей циркуляции католита и быстрого удаления выделяющегося кислорода.

Биполярная ионообменная мембрана 11 выполнена на полимерной основе, причем катионообменная сторона обращена к катоду, а анионообменная мембрана - к аноду.

Средства крепления мембраны 11 выполнены в виде прижимной рамки из полимерного материала с резиновым уплотнением, что обеспечивает герметичность электродной коробки 2, предотвращает смешивание католита и анолита. Во внутреннее пространство электродной коробки 2 помещается анод 4, обе стороны которого являются работающими. Снаружи электродного блока с двух сторон крепятся катоды 3 в виде пластин, а межэлектродное расстояние между анодом 4 и катодом 3 определяется толщинами ионообменной мембраны 11 с прижимной рамкой и резиновым уплотнением.

В данном варианте устройства электродный блок один, но их может быть и несколько, тогда электродные блоки электрически соединяют параллельно.

Устройство регулирования рН (рН-корректор) представляет собой электрохимическое устройство с разделенным катодным и анодным пространствами. Разделительная мембрана 11 предназначена для предотвращения смешивания католита и анолита, она обладает минимальной протекаемостью и максимальной электропроводностью. На электродах 3,4 выделяется кислород и водород, в связи с чем требуется вентиляция.

Электрохимическое регулирование рН производится следующим образом. Вода, рН которой надо повысить, через входной патрубок 7 поступает в катодное пространство. В катодном пространстве происходит подщелачивание воды с рН=4,0-4,5, до рН=8,0-8,5,5. Далее через патрубок 8 выхода католита подщелоченная вода поступает в сборник католита и далее по схеме очистки воды. Анолит через патрубок 10 выхода анолита поступает в сборник 5 анолита и насосом 6 снова подается в анодное пространство через патрубок 9. Анолит работает в режиме циркуляции. Периодически анолит необходимо нейтрализовать католитом для уменьшения скорости коррозии конструкционных материалов.

Предлагаемое устройство обеспечивает регулирование рН с использованием биполярных мембран в широких пределах. За достаточно короткий промежуток времени рН изменяется, как в катодном, так и в анодном пространствах, на несколько единиц. Устройство выполнено в виде прямоугольной емкости из полимерного материала. Катодное пространство единое, в емкости могут быть установлены несколько электродных коробок. Для уменьшения межэлектродного расстояния катод может быть закреплен прямо к прижимной планке. Таким образом, уменьшается межэлектродное расстояние, а аноды и катоды работают с двух сторон, что увеличивает производительность устройства. Также может быть использовано смещенное расположение электродных коробок относительно стенок устройства для увеличения пути протекания воды, т.е. для увеличения времени нахождения воды в устройстве, что также увеличит эффективность работы устройства. Для обеспечения качественного протекания технологического процесса используется циркуляция анолита, который из напорного бака самотеком поступает в анодное пространство и далее в сборный бак 5. Так как с течением времени рН анолита будет повышаться, то, предусмотрен вывод части анолита для его нейтрализации.

Предлагаемое устройство можно применять не только для повышения рН, но и для уменьшения рН, для чего надо поменять местами электроды и немного изменить конструкцию аппарата. Возможно снижение рН от 12 до 6-9. Часовая производительность технологических потоков составляет 440 м³/час. Кроме того, устройство может быть использовано в технологических комплексах очистки сточных вод, когда необходимо поднять рН сточной воды с 8-8,5 до 10-11. Такое изменение рН необходимо для полного удаления аммиака в десорберах. При меньших значениях рН аммиак не удаляется. Возможно применение данного устройства в быту для различных целей.

Испытания устройства подтвердили наличие его преимуществ. Во-первых, прямоугольная форма реактора позволяет создать герметичность в узлах установки мембран и устраняет перетекание растворов между электродными пространствами. Во-вторых, обеспечена возможность максимально приблизить катод к анодной сборке, т.е. к мембранам, и, таким образом, значительно снизить электрическое сопротивление объема обрабатываемого раствора. Для улучшения перемешивания раствора служит перфорация электродов.

Изобретение относится к устройствам для электрохимической активации воды и водных растворов. Устройство содержит систему подачи воды, блок питания и реактор с диэлектрическим корпусом, в котором размещены разноименные электроды и ионопроницаемая диафрагма, выполненная в виде биполярной ионообменной мембраны, катионообменная сторона которой обращена к катодному пространству, а анионообменная сторона - к анодному пространству. Общий корпус выполнен прямоугольным с внутренним объемом, являющимся катодным пространством, вмещающим заданное число соединенных параллельно электродных блоков, каждый из которых содержит электродную коробку, выполненную из полимерного материала с вырезами на противоположных сторонах, в которых с помощью крепежных средств герметично установлены биполярные ионообменные мембраны, при этом анод размещен во внутреннем анодном пространстве электродного блока так, что обе стороны анода являются рабочими. Выполненные в виде пластин катоды установлены снаружи электродной коробки соответственно местоположению биполярных ионопроницаемых мембран так, что расстояние между катодом и анодом определяется толщиной биполярной ионообменной мембраны с крепежными средствами. Электроды могут быть выполнены с перфорацией, при этом диаметр перфорационных отверстий выполнен преимущественно 5 мм, а шаг отверстий преимущественно 10 мм. Аноды могут быть выполнены из листа титана, покрытого оксидом рутения с двух сторон. Средства крепления биполярной ионообменной мембраны могут быть выполнены в виде прижимных элементов с элементами уплотнения. Прижимной элемент может быть выполнен в виде рамки из полимерного материала, а элементы уплотнения выполнены из резины. Технический результат - уменьшение расхода электроэнергии на единицу объема и повышение производительности за счет предотвращения смешивания католита и анолита, повышение скорости процесса активации. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для электрохимической активации воды и водных растворов, содержащее систему подачи воды, блок питания и реактор с диэлектрическим корпусом, в котором размещены разноименные электроды и ионопроницаемая диафрагма, отличающееся тем, что ионопроницаемая диафрагма выполнена в виде биполярной ионообменной мембраны, катионообменная сторона которой обращена к катодному пространству, а анионообменная сторона - к анодному пространству, а общий корпус выполнен прямоугольным и внутренний объем его является катодным пространством, вмещающим заданное число соединенных параллельно электродных блоков, каждый из которых содержит электродную коробку, выполненную из полимерного материала с вырезами на противоположных сторонах, в которых с помощью крепежных средств герметично установлены биполярные ионообменные мембраны, при этом аноды размещены во внутреннем, анодном пространстве электродного блока так, что обе стороны анода являются рабочими, а выполненные в виде пластин катоды установлены снаружи электродной коробки соответственно местоположению биполярных ионопроницаемых мембран так, что расстояние между катодом и анодом определяется толщиной биполярной ионообменной мембраны с крепежными средствами.

2. Устройство для электрохимической активации воды и водных растворов по п. 1, отличающееся тем, что электроды выполнены с перфорацией, при этом диаметр перфорационных отверстий выполнен преимущественно 5 мм, а шаг отверстий преимущественно 10 мм.

3. Устройство для электрохимической активации воды и водных растворов по п. 1, отличающееся тем, что электроды анодного пространства - аноды выполнены из листа титана, покрытого оксидом рутения с 2-х сторон.

4. Устройство для электрохимической активации воды и водных растворов по п. 1, отличающееся тем, что средства крепления биполярной ионообменной мембраны выполнены в виде прижимных элементов с элементами уплотнения.

5. Устройство для электрохимической активации воды и водных растворов по п. 4, отличающееся тем, что прижимной элемент выполнен в виде рамки из полимерного материала, а элементы уплотнения выполнены из резины.