УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2019 года по МПК C25B9/08 C25B1/10 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для получения анолита и католита из воды и водных растворов.

Известны примеры применения проточных диафрагменных электролизеров для получения активированных водных препаратов в бытовых целях, в здравоохранении и в различных отраслях народного хозяйства (см., например, [Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Паничева С.А., Прилуцкий В.И., Сухова О.И. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы. - М.: ВНИИИМТ, 1999. 256 с.]).

Известна «Установка для электролиза водно-солевых растворов» патент №2475456 МПК C02F 1/461, опубликовано 20.02.2013; Бюл. №50.

Известная установка для электролиза водно-солевых растворов, содержащая диафрагменный электрохимический реактор, разделенный мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры, которые имеют прямоугольную форму и снабжены входными и выходными патрубками, при этом внутри анодной и катодной камер для возможности получения турбулентного потока на внутренней горизонтальной поверхности установлены графитовые пластины под углом не более 60° относительно оси движения водного потока и имеющие высоту, удовлетворяющую условию H₀/H₁<150 мм, где Н₀ - высота камеры, а Н₁ - высота графитовых пластин.

К недостаткам устройства относятся зависимость уровня рН от расхода воды при неизменной силе тока, повышенный расход электроэнергии на активацию воды, значительные гидравлические сопротивления и сложность конструкции, необходимость периодической очистки мембраны от солевых отложений.

Известен «Способ и устройство управления процессом электролиза водных растворов» см. патент №2345956, C02F 1/461, С25В 15/02. Опубликовано: 10.02.2009; Бюл. №4. (Прототип).

Способ управления процессом электролиза водных растворов, включающий изменение полярности электродов в двухкамерном диафрагменном электролизере в зависимости от условий протекания процесса электролиза, производят с помощью ультразвуковых эхосигналов, со стороны отрицательного электрода на высоте, равной половине длины рабочей камеры электролизера, определяют толщину осадка солей кальция и магния на стенках мембраны и при превышении величины эхо-сигнала предельно допустимого значения производят изменение полярности электродов электролизера.

Недостаток способа заключается в большой погрешности определения толщины осадка и момента переключения полярности напряжения. Это связано с тем, что сигнал ультразвука распространяется и отражается в различных средах не однородно. Состав воды по регионам отличается по жесткости (она обусловлена наличием гидрокарбонатов натрия, магния, кальция). Высокое содержание железа в водопроводной воде происходит в результате коррозии трубопроводов или использования на станциях водоподготовки железосодержащих коагулянтов, а в артезианские воды - вследствие контакта железосодержащих минералами.

Поэтому в разных регионах этот способ будет работать с разными погрешностями.

Устройство управления процессом электролиза водных растворов в прототипе, содержащее электродную камеру электролизера, источник постоянного тока с переключателем полярности электродов, систему трубопроводов для подачи и отвода воды, дополнительно содержит синхрогенератор, возбуждающий генератор, коммутатор управления работой пьезопреобразователей, первый и второй пьезопреобразователи, первый и второй высокочастотные усилители, первый и второй амплитудные детекторы, временной селектор, пороговое устройство, блок управления электромагнитными клапанами, причем первый выход синхрогенератора соединен со входом возбуждающего генератора, а второй - со входом временного селектора, при этом выход возбуждающего генератора подключен к первому входу коммутатора управления работой пьезопреобразователей, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходом источника постоянного тока с переключателем полярности электродов, а выходы последнего подключены также к электродам электролизера, кроме того, первый и второй выходы коммутатора соединены и управляют первым и вторым пьезопреобразователями, выходы которых связаны, соответственно, со входами первого и второго высокочастотных усилителей, чьи выходы подключены, соответственно, к первым входам первого и второго амплитудных детекторов, а выходы последних соединены соответственно с первым и вторым входами порогового устройства, причем первый выход порогового устройства связан со входом источника постоянного тока с переключателем полярности электродов, а второй его выход подключен ко входу блока управления электромагнитными клапанами, кроме того, первый и второй выходы временного селектора соединены со вторыми входами, соответственно, первого и второго амплитудного детектора.

Недостатки известного устройства: сложность конструкции, большая погрешность определения толщины осадка и момента переключения полярности напряжения, что влечет повышенный расход электрической энергии.

Техническим решением изобретения является стабилизация выходной величины рН и эффективности обработки воды, снижение потребления энергии на обработку за счет периодической очистки электродов и мембраны и повышение коэффициента полезного действия.

Технический результат достигается тем, устройство для электролиза водных растворов, содержащее двухкамерный электролизер с корпусом из непроводящего ток материала, в котором размещены электроды прямоугольной формы с диафрагмой, патрубки для подвода и отвода жидкости, которые гидравлически связаны с входами системы перепуска жидкости, источник постоянного тока с переключателем полярности электродов и блоком управления согласно изобретению, в двухкамерном электролизере диафрагма зажата между прямоугольными электродами с двух сторон треугольными изолированными вставками, образующими зигзагообразный канал для прохождения жидкости, имеющий входные и выходные патрубки для выхода анолита и католита, которые гидравлически связаны с системой перепуска жидкости, состоящей из первого и второго 2-ходовых шаровых кранов с поворотными электроприводами, а источник постоянного тока выполнен в виде управляемого выпрямителя и дополнительно содержит схему управления выпрямителем, электронный коммутатор в виде IGBT транзистора, программируемое реле времени, генератор прямоугольных импульсов переменной частоты, потенциометр, датчик проводимости, причем управляемый выпрямитель постоянного тока с выходами «плюс» и «минус» соединен с одной стороны с трехфазной сетью, а с другой стороны с выходом схемы управления выпрямителем, электроды в двухкамерном электролизере через переключатель полярности электродов и электронный коммутатор в виде IGBT транзистора соединены параллельно с выходами «плюс» и «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, программируемое реле времени своими выходами соединено с двухпозиционным переключателем полярности электродов и с поворотными электроприводами первого и второго 2-ходовых шаровых кранов системы перепуска жидкости, генератор прямоугольных импульсов переменной частоты с частотой механического резонанса воды 3650-3750 Гц соединен своими входами параллельно к выходам «плюс» и «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, а выходом с базой электронного коммутатора в виде IGBT транзистора, потенциометр своим выходом соединен с входом схемы управления выпрямителем и выходом «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, а входом соединен с датчиком проводимости, расположенным на выходе первого 2-ходового шарового крана.

Новизна заявляемого технического решения обусловлена тем, что в двухкамерном электролизере диафрагма зажата между прямоугольными электродами с двух сторон треугольными изолированными вставками, образующими зигзагообразный канал для прохождения жидкости, имеющий входные и выходные патрубки для выхода анолита и католита, которые гидравлически связаны с системой перепуска жидкости, состоящей из первого и второго 2-ходовых шаровых кранов с поворотными электроприводами, а источник постоянного тока выполнен в виде управляемого выпрямителя и дополнительно содержит схему управления выпрямителем, электронный коммутатор в виде IGBT транзистора, программируемое реле времени, генератор прямоугольных импульсов переменной частоты, потенциометр, датчик проводимости, причем управляемый выпрямитель постоянного тока с выходами «плюс» и «минус» соединен с одной стороны с трехфазной сетью, а с другой стороны с выходом схемы управления выпрямителем, электроды в двухкамерном электролизере через переключатель полярности электродов и электронный коммутатор в виде IGBT транзистора соединены параллельно с выходами «плюс» и «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, программируемое реле времени своими выходами соединено с двухпозиционным переключателем полярности электродов и с поворотными электроприводами первого и второго 2-ходовых шаровых кранов системы перепуска жидкости, генератор прямоугольных импульсов переменной частоты с частотой механического резонанса воды 3650-3750 Гц соединен своими входами параллельно к выходам «плюс» и «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, а выходом с базой электронного коммутатора в виде IGBT транзистора, потенциометр своим выходом соединен с входом схемы управления выпрямителем и выходом «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, а входом соединен с датчиком проводимости, расположенным на выходе первого 2-ходового шарового крана.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами.

На фиг. 1 - представлено в поперечном разрезе устройство для электролиза водных растворов; на фиг. 2 его разрез по А-А; на фиг. 3 - функциональная электрическая схема устройства.

Устройство для электролиза водных растворов содержит корпус 1 из непроводящего ток материала, в котором размещен двухкамерный электролизер с диафрагмой 2. Диафрагма зажата с двух сторон треугольными изолированными вставками 3, которые образуют «зигзагообразный» канал для прохождения жидкости 4, электроды 5 и 6, выполнены, например, в виде пластин прямоугольной формы и прижаты к корпусу 1 треугольными изолированными вставками 3. «Зигзагообразный» канал для прохождения жидкости 4 имеет входные 7 и выходные 8 и 9 патрубки для подвода и отвода жидкости.

На функциональной схеме устройства патрубок 8 связан гидравлически с входом второго 2-ходового шарового крана с поворотным электроприводом 10, а патрубок 9 - соответственно с первым аналогичным краном 11. Шаровые краны 10 и 11 представляет собой систему перепуска жидкости.

Схема включает управляемый источник постоянного тока в виде управляемого выпрямителя 12 с выходами «плюс» и «минус», соединенный с одной стороны с трехфазной сетью А, В, С, а с другой стороны с выходом схемы управления 13 управляемым выпрямителем постоянного тока. Электроды 5 и 6 через переключатель 14 и электронный коммутатор 15 соединены параллельно с выходами «плюс» и «минус» управляемого источника постоянного тока 12. Программируемое реле времени 16 своими выходами соединено с двухпозиционным переключателем полярности электродов 14 и с поворотными электроприводами первого и второго 2-ходовых шаровых кранов 10 и 11 системы перепуска жидкости.

Генератор прямоугольных импульсов переменной частоты 17 соединен своими входами параллельно к выходам «плюс» и «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока 12, а выходом с базой электронного коммутатора 15 в виде IGBT транзистора (Insulated Gate Bipolar Transistor, биполярный транзистор с изолированным затвором).

Потенциометр 18 своим выходом соединен с входом схемы управления 13 управляемым выпрямителем постоянного тока и минусом управляемого выпрямителя постоянного тока 12, а входом соединен с датчиком проводимости 19 расположенным на выходе первого 2-ходового шарового крана 11.

Генератор прямоугольных импульсов переменной частоты 17 с выходными прямоугольными импульсами настраивается на частоту механического резонанса воды (3650-3750 Гц). Конструктивно это генератор, частота которого управляется напряжением, а в качестве управляющего напряжения используется треугольные или пилообразные импульсы, в зависимости от поставленной задачи, например, применяются два интегральных таймера КР1006ВИ1 (зарубежный аналог NE555): описание параметров и применение [http://radiokot.ru/forum/ viewtopic.php? f=1&t=113878].

Устройство для электролиза водных растворов работает следующим образом. На вход управляемого выпрямителя постоянного тока 12 подается напряжение питающей сети А, В, С. Жидкость поступает через входные патрубки 7 и распределяется в «зигзагообразном» канале для прохождения жидкости 4, между диафрагмой 2 и электродами 5 и 6. Потенциометром 18 задается необходимый уровень рН. С управляемого выпрямителя постоянного тока 12 подается максимальное напряжение «плюс» и «минус». Это напряжение через электронный коммутатор 15 и нормально замкнутые контакты двухпозиционного переключателя полярности электродов 14 поступает на электроды 5 и 6.

Электронный коммутатор 15 формирует прямоугольные импульсы переменной частоты. Через жидкость в «зигзагообразном» канале 4 проходит импульсный ток. Идет процесс разделение воды на католит и анолит. При этом на электрод 5 подается «плюс», а на электрод 6 «минус».

Шаровые краны второй 10 и первый 11, системы перепуска жидкости, открыты в прямом по схеме направлении. В процессе работы снижается проводимость католита и датчик проводимости 19 изменяет свой сигнал, который через схему управления 13 снижает выходное напряжение управляемого выпрямителя постоянного тока 12. Тем самым стабилизируется выходное значение заданного уровня рН. Программируемое реле времени 16 запрограммировано, например, на срабатывание через час работы. В обрабатываемой воде интенсивно протекают химические процессы, которые при наложении направленного электрического поля приводят к отложению солей кальция и магния на поверхности мембраны со стороны катода. Образовавшийся слой соли препятствует нормальному протеканию процесса электролиза, происходит ускоренный износ мембраны, появляются сквозные отверстия и она теряет свои разделительные функции.

По истечению времени, заданном программируемым реле времени 16, оно подает сигнал на переключатель полярности электродов 14, который переключает свои подвижные контакты с верхнего по схеме положения в нижнее положение. При этом на электродах 5 и 6 меняется полярность импульсов. Изменяется состав жидкости в межэлектродных камерах, с анолита на католит, который поступает в выходные патрубки 8 и 9.

Одновременно подается сигнал на поворотные электроприводы первого и второго 2-ходовых шаровых кранов 10 и 11 системы перепуска жидкости. Электроприводы переключают эти краны, изменяется направление движения жидкости, но на выходе, по-прежнему, остается прежний состав жидкости анолита и католита.

Преимущества предлагаемого устройства.

1. Периодическое изменение полярности импульсов позволяет эффективно очищать мембрану и электроды от образования отложений солей кальция и магния на поверхности мембраны со стороны катода. Время переключения полярности на электродах выбирается в зависимости от жесткости воды.

2. За счет переменной частоты коммутации тока соответствующей механическому резонансу воды (3650-3750 Гц) более интенсивно протекают химические процессы разложения воды.

3. Управляемый выпрямитель постоянного тока, совместно с обратной связью от датчика проводимости, расположенном на выходе первого 2-ходового шарового крана, позволяет стабилизировать предварительно заданные выходные параметры рН.

4. Импульсный ток электродов на частоте механического резонанса воды активизирует процесс электролиза и снижает расход электрической энергии.

Изобретение относится к устройству для электролиза водных растворов, содержащему двухкамерный электролизер с корпусом из непроводящего ток материала, в котором размещены электроды прямоугольной формы с диафрагмой, патрубки для подвода и отвода жидкости, которые гидравлически связаны с входами системы перепуска жидкости, источник постоянного тока с переключателем полярности электродов и блоком управления системы перепуска жидкости. Устройство характеризуется тем, что в двухкамерном электролизере диафрагма зажата между прямоугольными электродами с двух сторон треугольными изолированными вставками, образующими зигзагообразный канал для прохождения жидкости, имеющий входные и выходные патрубки для выхода анолита и католита, которые гидравлически связаны с системой перепуска жидкости, состоящей из первого и второго 2-ходовых шаровых кранов с поворотными электроприводами, а источник постоянного тока выполнен в виде управляемого выпрямителя и дополнительно содержит схему управления выпрямителем, электронный коммутатор в виде IGBT транзистора, программируемое реле времени, генератор прямоугольных импульсов переменной частоты, потенциометр, датчик проводимости, причем управляемый выпрямитель постоянного тока с выходами «плюс» и «минус» соединен с одной стороны с трехфазной сетью, а с другой стороны с выходом схемы управления выпрямителем, электроды в двухкамерном электролизере через переключатель полярности электродов и электронный коммутатор в виде IGBT транзистора соединены параллельно с выходами «плюс» и «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, программируемое реле времени своими выходами соединено с переключателем полярности электродов и с поворотными электроприводами первого и второго 2-ходовых шаровых кранов системы перепуска жидкости, генератор прямоугольных импульсов переменной частоты с частотой механического резонанса воды 3650-3750 Гц соединен своими входами параллельно к выходам «плюс» и «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, а выходом с базой электронного коммутатора в виде IGBT транзистора, потенциометр своим выходом соединен с входом схемы управления выпрямителем и выходом «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, а входом соединен с датчиком проводимости, расположенным на выходе первого 2-ходового шарового крана. Использование предлагаемого устройства позволяет стабилизировать выходную величину рН и эффективно обрабатывать воду, снизить потребление энергии. 3 ил.

Устройство для электролиза водных растворов, содержащее двухкамерный электролизер с корпусом из непроводящего ток материала, в котором размещены электроды прямоугольной формы с диафрагмой, патрубки для подвода и отвода жидкости, которые гидравлически связаны с входами системы перепуска жидкости, источник постоянного тока с переключателем полярности электродов и блоком управления системы перепуска жидкости, отличающееся тем, что в двухкамерном электролизере диафрагма зажата между прямоугольными электродами с двух сторон треугольными изолированными вставками, образующими зигзагообразный канал для прохождения жидкости, имеющий входные и выходные патрубки для выхода анолита и католита, которые гидравлически связаны с системой перепуска жидкости, состоящей из первого и второго 2-ходовых шаровых кранов с поворотными электроприводами, а источник постоянного тока выполнен в виде управляемого выпрямителя и дополнительно содержит схему управления выпрямителем, электронный коммутатор в виде IGBT транзистора, программируемое реле времени, генератор прямоугольных импульсов переменной частоты, потенциометр, датчик проводимости, причем управляемый выпрямитель постоянного тока с выходами «плюс» и «минус» соединен с одной стороны с трехфазной сетью, а с другой стороны с выходом схемы управления выпрямителем, электроды в двухкамерном электролизере через переключатель полярности электродов и электронный коммутатор в виде IGBT транзистора соединены параллельно с выходами «плюс» и «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, программируемое реле времени своими выходами соединено с переключателем полярности электродов и с поворотными электроприводами первого и второго 2-ходовых шаровых кранов системы перепуска жидкости, генератор прямоугольных импульсов переменной частоты с частотой механического резонанса воды 3650-3750 Гц соединен своими входами параллельно к выходам «плюс» и «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, а выходом с базой электронного коммутатора в виде IGBT транзистора, потенциометр своим выходом соединен с входом схемы управления выпрямителем и выходом «минус» управляемого выпрямителя постоянного тока, а входом соединен с датчиком проводимости, расположенным на выходе первого 2-ходового шарового крана.