Устройство для электрохимической обработки воды Российский патент 2020 года по МПК C02F1/00 

Область техники

Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды, промышленных и бытовых сточных вод и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды и сточных вод.

Уровень техники

Известно устройство для электрохимической обработки воды, включающее коаксиально расположенные внешний, являющийся корпусом, и внутренний электроды, разделенные трубчатой керамической диафрагмой с образованием анодной и катодной электродных камер, держатели, установленные с противоположных концов электродов, приспособления для подвода и отвода воды, сорбционную ячейку (патент РФ №2133224, МПК C02F 1/46, авторы Рамазанов З.Д., Лохов А.П., приоритет от 29.06.1998, опубл. 20.07.1999, аналог). Заявленный технический результат - удаление свободного хлора и его соединений из обработанной воды. Причиной, препятствующей достижению указанного технического результата при использовании известного устройства, является малоэффективное удаление загрязнений, таких как взвешенные вещества, сероводород, нефтепродукты, железо, соли тяжелых металлов, сульфиты, карбонаты. Кроме того, устройство может служить дополнительным источником загрязнения воды мелкими частицами активированного угля, выделяющимися из сорбционной ячейки.

Известен блок для очистки воды (описание полезной модели к патенту РФ №58525, МПК C02F 1/46, авторы Кучеров А.А., Кузнецов В.А. и др., приоритет от 10.02.2006, опубл. 27.11.2006, прототип), содержащее крышку, на которой жестко закреплены патрубки для подвода, отвода жидкости, разделенные перегородкой, и патрубок для отвода газа, съемный цилиндрический корпус, соединяемый с крышкой посредством запорного устройства, электрохимическую ячейку, содержащую коаксиально расположенные внешний, внутренний электроды и патрубок для отвода обработанной жидкости, имеющие форму водопроницаемых полых цилиндров, причем электроды выполнены из титанового сплава с покрытием из переходного металла, а электрохимическая ячейка в сборе закреплена на крышке с помощью держателей. Задача, на решение которой было направлено известное техническое решение, состояла в улучшении очистки воды не только от хлора, запаха, привкуса и бактерий, но и от взвешенных веществ, сероводорода, нефтепродуктов, железа, солей тяжелых металлов, сульфитов, карбонатов.

Недостатки: малая эффективность удаления загрязнений и быстрый износ титановых электродов сдерживают широкое применение известного устройства для электрохимической обработки воды.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является повышение эффективности обработки при одновременном снижении количества потребляемой энергии и увеличении межремонтного цикла устройства для электрохимической обработки воды путем оптимального выбора его конструктивно-технологических параметров как за счет величины межэлектродного зазора, так и использования титановых электродов, изготовленных из сплавов с минимальным количеством примесей.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известном устройстве для электрохимической обработки воды, включающем крышку, на которой жестко закреплены патрубки для подвода, отвода жидкости, разделенные перегородкой, и патрубок для отвода газа, съемный цилиндрический корпус, соединяемый с крышкой посредством запорного устройства, электрохимическую ячейку, содержащую коаксиально расположенные внешний, внутренний электроды и трубу для отвода обработанной жидкости, имеющие форму водопроницаемых полых цилиндров, причем электроды выполнены из титанового сплава с покрытием из переходного металла, а электрохимическая ячейка в сборе закреплена на крышке с помощью держателей, внешний и внутренний электроды установлены друг относительно друга с односторонним зазором 6≤δ≤9,5 мм и выполнены из титанового сплава с содержанием титана более 99%.

В электрохимической ячейке, в зазоре между внешним и внутренним электродами, происходит окисление железа, сероводорода, органических примесей и обеззараживание воды. При этом выделяются пузырьки газа (водорода), заполняющие межэлектродное пространство. Экспериментально установлено, что при одностороннем зазоре между внешним и внутренним электродами δ<6 мм заполнение пузырьками межэлектродного пространства настолько плотное, что это начинает мешать нормальному прохождению окислительных реакций, а может и полностью остановить процесс электрохимической обработки воды. Наоборот, при δ>9,5 мм пузырьки водорода уже не являются помехой, эффективность обработки воды возрастает, но требует потребления все большего количества электрической энергии, что с одной стороны ведет к увеличению работы, приходящейся на каждый литр обрабатываемой жидкости, а, следовательно, увеличению себестоимости обработки. Кроме того, рост электрического напряжения при обработке воды приводит вначале к разрушению покрытия титановых электродов из переходного металла, а затем и самого титанового сплава. Причем установлено экспериментально, что титановый сплав с большим количеством примесей обладает меньшей стойкостью к электрохимическому разрушению. Так, электроды с содержанием титана около 95%, выполненные из титанового сплава ПТ-7М, обладали наименьшим ресурсом до разрушения. Схожие результаты были получены при использовании сплава ОТ4-0 (98,8% содержания титана). И только применение электродов из сплавов ВТ1-0 (от 99,24 до 99,7% содержания титана) и ВТ1-00 (от 99,58 до 99,9% содержания титана) показало наилучшие результаты в плане увеличения стойкости электродов к разрушению и межремонтного цикла устройства для электрохимической обработки воды.

Таким образом, выбор межэлектродного зазора в устройстве для электрохимической обработки воды из интервала 6≤δ≤9,5 мм и использование титановых сплавов с минимальным количеством примесей для изготовления электродов способствует повышению эффективности обработки при одновременном снижении количества потребляемой энергии, себестоимости обработки воды и увеличении межремонтного цикла устройства.

Изобретение поясняется следующим чертежом. На фиг. 1 представлено устройство для электрохимической обработки воды (продольный разрез).

Описание устройства.

Устройство для электрохимической обработки воды, включает крышку 1, на которой жестко закреплены патрубок 2 для подвода жидкости 3, подлежащей обработке, патрубок 4 для отвода обработанной жидкости 5, разделенные перегородкой 6, и патрубок 7 для отвода газа, съемный цилиндрический корпус 8, соединяемый с крышкой 1 посредством запорного устройства 9, электрохимическую ячейку 10, содержащую коаксиально расположенные внешний электрод 11, внутренний электрод 12 и трубу 13 для отвода обработанной жидкости 5, имеющие форму водопроницаемых полых цилиндров, причем электроды 11, 12 выполнены из титанового сплава с покрытием из переходного металла, а электрохимическая ячейка 10 в сборе закреплена на крышке 1 с помощью держателей 14, 15. Внешний электрод 11 и внутренний электрод 12 установлены друг относительно друга с односторонним зазором 6≤δ≤9,5 мм, имеют боковые отверстия 16, 17 и выполнены из титанового сплава с содержанием титана более 99%. Труба 13 для отвода обработанной жидкости 5, установленная коаксиально внешнему 11 и внутреннему 12 электродам имеет боковые отверстия 18.

Работает устройство следующим образом.

Жидкость 3, подлежащая обработке, поступает через патрубок 2 в полость цилиндрического корпуса 8, просачивается через боковые отверстия 16 внешнего электрода 11, а затем через боковые отверстия 17 внутреннего электрода 12. В электрохимической ячейке 10, в зазоре δ между внешним 11 и внутренним 12 электродами, происходит окисление железа, сероводорода, органических примесей и обеззараживание воды благодаря создаваемой электрическим источником (на чертеже не показан) разности потенциалов. При этом выделяются пузырьки газа (водорода), которые отводятся наружу через патрубок 7. Обработанная жидкость 5 поступает через боковые отверстия 18 в трубу 13, затем через патрубок 4 отводится к потребителю.

Пример.

Вода, подлежащая обработке, содержала в себе растворенное железо в количестве 2,8 мг/л. Необходимо было обработать ее электрохимическим способом до достижения разрешенного значения ПДК, составляющего 0,3 мг/л.

Для достижения указанного результата применялось устройство для электрохимической обработки воды, выполненное из коррозионно-стойкой стали AISI 304, включающее крышку 1 диаметром 140 мм, на которой жестко закреплены патрубок 2 с диаметром проходного сечения 1'' для подвода жидкости 3, подлежащей обработке, патрубок 4 с диаметром проходного сечения 1'' для отвода обработанной жидкости 5, разделенные перегородкой 6, и патрубок 7 с диаметром проходного сечения 1/4'' для отвода газа, съемный цилиндрический корпус 8 диаметром 140 мм, соединяемый с крышкой 1 посредством запорного устройства 9 в виде авиационного хомута, электрохимическую ячейку 10, содержащую коаксиально расположенные внешний электрод 11, внутренний электрод 12 и трубу 13 для отвода обработанной жидкости 5, имеющие форму водопроницаемых полых цилиндров с длиной образующей 285 мм, причем электроды 11, 12 выполнены из титанового сплава ВТ1-0 с покрытием из рутения. Внешний электрод 11 имел наружный диаметр 87 мм и толщину стенки 1,0 мм. С ним комплектовались внутренние электроды 12, имеющие наружные диаметры 68 мм и 75 мм при толщине стенки 1,0 мм. Таким образом, для обработки воды применялось два сочетания наружных диаметров электродов - 87×75 мм и 87×68 мм с обеспечением одностороннего зазора δ=6 мм и δ=9,5 мм соответственно. Электроды 11, 12 имели отверстия 16, 17 диаметром 10 мм, равномерно расположенные по боковой поверхности. Труба 13 для отвода обработанной жидкости 5, установленная коаксиально внешнему 11 и внутреннему 12 электродам, выполнена из стали AISI 304 и имела отверстия 18 диаметром 10 мм, равномерно расположенные по боковой поверхности.

Вода, подлежащая обработке с расходом 4 л/сек, поступала через патрубок 2 в полость цилиндрического корпуса 8, просачивалась через боковые отверстия 16 внешнего электрода 11, а затем через боковые отверстия 17 внутреннего электрода 12. Электрохимическая обработка воды с использованием двух сочетаний электродов проводилась на трех режимах плотности тока: j=96 А/м², j=121 А/м² и j=145 А/м². Энергоемкость процесса обработки воды при одностороннем зазоре δ=6 мм составила соответственно 11,8 Дж/л, 18,6 Дж/л и 28,1 Дж/л, а при одностороннем зазоре δ=9,5 мм - 21,8 Дж/л, 33,1 Дж/л и 46,2 Дж/л. В то же время по результатам экспериментов вода, обработанная с односторонним зазором между внешним электродом 11 и внутренним электродом 12 δ=6 мм содержала в себе растворенное железо в количестве 0,15 мг/л, а вода обработанная с односторонним зазором между внешним электродом 11 и внутренним электродом 12 δ=9,5 мм содержала в себе растворенное железо в количестве 0,06 мг/л при разрешенном значении ПДК, составляющем 0,3 мг/л.

Таким образом, увеличение зазора между внешним и внутренним электродами повышает эффективность обработки воды, но вызывает рост количества потребляемой энергии и способствует преждевременному износу титановых электродов. Наоборот, малые значения межэлектродного зазора способствуют снижению энергопотребления, увеличению межремонтного цикла устройства для электрохимической обработки воды, однако эффективность обработки воды при этом падает. Поэтому величина зазора должна быть оптимальной и выбираться из интервала: 6≤δ≤9,5 мм. Для изготовления электродов следует применять сплавы с содержанием титана более 99%.

Изобретение может быть использовано в химической технологии для очистки и обеззараживания воды и сточных вод. Устройство для электрохимической обработки воды включает крышку, на которой жестко закреплены патрубки для подвода и отвода жидкости, разделенные перегородкой, а также патрубок для отвода газа, съемный цилиндрический корпус, соединяемый с крышкой посредством запорного устройства, электрохимическую ячейку, содержащую коаксиально расположенные внешний, внутренний электроды и трубу для отвода обработанной жидкости, имеющие форму водопроницаемых полых цилиндров, причем электроды выполнены из титанового сплава с покрытием из переходного металла, а электрохимическая ячейка в сборе закреплена на крышке с помощью держателей. При этом внешний и внутренний электроды установлены относительно друг друга с односторонним зазором 6≤δ≤9,5 мм и выполнены из титанового сплава с содержанием титана более 99%. Технический результат - повышение эффективности обработки воды при одновременном снижении количества потребляемой энергии и увеличении межремонтного цикла. 1 ил.

Устройство для электрохимической обработки воды, включающее крышку, на которой жестко закреплены патрубки для подвода, отвода жидкости, разделенные перегородкой, и патрубок для отвода газа, съемный цилиндрический корпус, соединяемый с крышкой посредством запорного устройства, электрохимическую ячейку, содержащую коаксиально расположенные внешний, внутренний электроды и трубу для отвода обработанной жидкости, имеющие форму водопроницаемых полых цилиндров, причем электроды выполнены из титанового сплава с покрытием из переходного металла, а электрохимическая ячейка в сборе закреплена на крышке с помощью держателей, отличающееся тем, что внешний и внутренний электроды установлены относительно друг друга с односторонним зазором 6≤δ≤9,5 мм и выполнены из титанового сплава с содержанием титана более 99%.