ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯТОР Российский патент 2022 года по МПК C02F1/463 

Изобретение относится к области оборудования для электрокоагуляционной очистки воды от солей жесткости и других примесей в том числе с использованием анодов, подвергающихся электрохимическому растворению.

Использование электрокоагуляторов позволяет исключить склады реагентов Al₂(SO₄)₃⋅18H₂O и FeCl₃⋅6H₂O, традиционно используемых для коагуляционной очистки воды, т.к. весовая доля активного компонента Al³⁺ и Fe³⁺ составляет ~ 16%, а балластная часть коагулянта при электролитическом получении Al³⁺ и Fe³⁺отсутствует.

Известен [пат. РФ N 2116259], электрокоагулятор, включающий корпус с плоскопараллельными профилированными электродами, дистанционными прокладками из изолирующего материала, положительным и отрицательным фидерами, к которым подключены электроды и штуцера входа и выхода воды, дистанционные прокладки между анодными и катодными электродами выполнены сплошными параллельно всей поверхности электродов с зазорами относительно электродов и с открытыми проходами для воды со стороны нижнего и верхнего торцов. Металл растворяется с анода и мигрирует к катоду, вызывая катодную поляризацию и пассивацию. Одновременно на катоде образуются ионы гидроксила ОН^-, которые, мигрируя к аноду, разряжаются до кислорода, блокирующего растворяющую поверхность. Установка сплошных перемычек исключает межэлектродную миграцию ионов ОН^- и ионов металла, а также миграцию побочных продуктов реакции, что резко снижает энергетические потери. Целевой продукт - ионы металла уносятся потоком воды и становятся коагулянтом. Ионы ОН^- также уносятся потоком воды в открытые проходы торцев электродов. Причем ионы ОН^- не разряжаются до кислорода, а участвуют в щелочном связывании солей жесткости в осадок. Исполнение электрода комбинированным из алюминия и железа позволяет решить ряд проблем:

- комплексный ион (Al³⁺+Fe³⁺⁾ в сочетании с солями жесткости является двойным коллектором и способен связывать не только соли жесткости, но и соли тяжелых металлов, органику и др. [В.И.Максин. Карбонаты щелочных металлов. "Химия и технология воды", N 5, 1991, с.431];

- склепывание листов Al и Fe позволяет избежать сложностей комбинирования и чередования электродов, неизбежно возникающих при переполюсовке;

- уменьшается концентрация вредных в медицинском отношении ионов остаточного Al, т.к. часть их замещается железом, а другая часть нейтрализуется железом и другими примесями в комплексном соединении;

- исключается цветность раствора, неизбежно возникавшая при использовании одиночного Fe, т.к. снижается его концентрация и активное железо связывается в нейтральное соединение.

В конструкции имеется ряд недостатков:

- прямоугольная конфигурация корпуса аппарата, повторяющая плоскопараллельную компоновку электродных пластин, ограничивает габариты аппарата, т.к. его плоские днища и стенки плохо выдерживают внутреннее давление. Увеличение толщины стенок и установка ребер жесткости позволяет скомпановать аппарат объемом до одного куб.м и производительностью до 20 куб. м/час, хотя потребность в производительности в десятки раз превышает названную;
- установка изолирующих прокладок между электродами позволила резко сократить межэлектродную миграцию ионов. Но полностью миграция не была исключена, т.к. существовали монтажные зазоры между изолирующими прокладками, стенками и днищем аппарата, где ионы свободно мигрировали между анодными и катодными камерами со всеми негативными последствиями - пассивацией электродов и паразитными перетоками металла;

- вариант гофрированного электрода увеличивает поверхность электродов всего в пределах 20%;

- рабочая поверхность электродов занижена за счет размещения токоподводов внутри электродного объема;

Известен электрокоагулятор [патентРФ № 2 175 644,C02F 1/463Заявка: 2000108495/12, 04.04.2000 Опубликовано: 10.11.2001 Бюл. № 31] в виде электродного блока, содержащего прямоугольный корпус с нижним днищем, боковыми стенками, изолирующими обкладками, верхним фланцем и съемной крышкой, плоскопараллельные однополярные электроды, разделенные сплошными изолирующими прокладками от электродов обратной полярности, положительный и отрицательный токоподводы ко всем электродам, штуцера ввода и вывода, отличающийся тем, что соединение электродов каждой однополярной пары выполнено с дистанционными токоподводящими пластинами между электродами, изолирующие прокладки установлены в пазах изолирующих обкладок стенок и днища, образуя изолированные камеры. Токоподводящая пластина выполнена Г-образной формы с отверстием под болт электрода и вырезом под стержень токоподводящего фидера, причем вырез охватывает стержень в виде полусферы, а фидеры расположены на изолирующих полосах на противоположных фланцах электродного блока.

При этом фланец размещен в нижнем разъеме цилиндрического корпуса, имеющего нижнее сферическое днище и верхнюю сферическую крышку, прикрепленную к верхнему разъему цилиндрического корпуса.

Нижнее днище имеет перфорацию, причем перфорация в изолированных камерах выполнена до середины днища с чередованием целых и перфорированных участков днища камер, половина днища каждой камеры выполнена цельной, а половина - перфорированной.

Кроме того, фланцы электродных блоков прикреплены к фланцам цилиндрических штуцеров, размещенных по образующим и на торцах цилиндрического аппарата, причем электроды и изолирующие прокладки в каждом электродном блоке ориентированы вертикально.

Последний из представленных принят в качестве прототипа. Основным из его недостатков следует признать недостижимость значимого изменения рН обрабатываемой воды, что для кислых вод не позволяет обеспечить высокой эффективности очистки.

Решаемой проблемой заявляемого технического решения является повышение эффективности электрообработки шахтных кислых вод с коррекцией значения рН.

Представленная проблема решается в конструкции электрокоагулятора в виде электродного блока, содержащего корпус с нижним днищем, боковыми стенками, изолирующими прокладками, верхним фланцем и съемной крышкой, однополярные электроды, положительный и отрицательный токоподводы к электродам, штуцера ввода и вывода, отличающемся тем, что, анод расположен соосно внутри вертикального цилиндрического корпуса в виде крестообразной опоры, боковые ребра которого выполняют роль распорных направляющих фильтровальной перегородки, патрубок ввода исходной воды расположен в нижнем фланцевом соединении с изолирующей прокладкой, а патрубок вывода в верхней части корпуса, при этом роль катода выполняет корпус.

Электрокоагулятор отличается и тем, что анод образован пластинами, выполненными из алюминия и или железа, совмещенными прорезанными по высоте встречными пазами.

Кроме того, электрокоагулятор отличается тем, что в качестве материала анода используется ОРТА (окиснорутеневый титан.)

А так же соотношение площадей катода и анода составляет 1:1÷1,5 при минимальном расстоянии между ними 10 мм.

Сущность заявляемого технического решения, представленная признаками указанными выше, состоит в том, что наличие фильтровальной перегородки обеспечивает преимущественно односторонний переток воды из анодного пространства через фильтровальную перегородку в катодное пространство и на выход из аппарата предотвращая усреднение. В результате значение рН в катодном приэлектродном пространстве сдвигается в область нейтральных значений без использования реагентов. Этот конструктивный прием позволяет достичь более эффективных значений коэффициентов очистки по катионным составляющим сточных вод. А для шахтных вод в которых возможно присутствие коллоидной серы в катодном пространстве наряду с разрядом водорода достигается осаждение сульфидов.

На рисунке (фиг.1) представлен коагулятор в виде цилиндрического корпуса – катода (1), в котором крестообразно по всей высоте корпуса расположен анод (2), опирающийся на изолятор (6), совмещенный с патрубком подачи исходной воды в анодное пространство, образованное крестообразным анодом и фильтровальной перегородкой (3). Выходной патрубок (7) врезан в верхней части корпуса катода. Токоподвод к аноду обозначен (5) в верхней съемной фланцевой изолирующей крышке (4).

Исходная вода непрерывно подается через патрубок подачи в нижнем основании, заполняет корпус электрокоагулятора через анодное пространство с одновременной фильтрацией через перегородку предотвращающую смешение приэлектродных объемов. При наложении постоянного напряжения на поверхности анода происходит либо растворение металлов, либо выделение кислорода(если используется нерастворимый анод) согласно электродных реакций:

Al -3e → Al³⁺

Fe -2e → Fe²⁺

Fe²⁺-e → Fe³⁺

H₂O – 2e → 2H⁺ + 1/2O₂

Положительные ионы под действием электрического поля движуться к катоду через фильтрующую перегородку. На катоде осуществляется разряд водорода , образование сульфидных соединений, осаждение гидратов металлов за счет повышения значения рН в двойном электрическом слое на поверхности катода.

H₂O + 2e → H₂ +OH^-

S +2e → S^2-

Таким образом в заявляемом устройстве за счет взаимного расположения его элементов достигается необратимый процесс образования труднорастворимых соединений без использования реагентов. Эффект восстановления серы и последующего образование труднорастворимых сульфидов обнаруживается только в пределах двойного электрического слоя на катоде заявляемого устройства. Этому условию отвечает соотношение площадей электродов и минимально возможное расстояние между ними разделенное фильтрующей перегородкой.

Изобретение относится к оборудованию для электрокоагуляционной очистки воды от солей жесткости и других примесей. Электрокоагулятор в виде электродного блока содержит корпус с нижним днищем, боковыми стенками, изолирующими прокладками, верхним фланцем и съемной крышкой, однополярные электроды, токоподводы к электродам, штуцера ввода и вывода. При этом внутри вертикального цилиндрического корпуса соосно расположен анод в виде крестообразной опоры, боковые ребра которого выполняют роль распорных направляющих фильтровальной перегородки. В нижнем фланцевом соединении с изолирующей прокладкой расположен патрубок ввода исходной воды, а в верхней части корпуса - патрубок вывода, при этом роль катода выполняет корпус. Использование изобретения позволяет повысить эффективность электрообработки шахтных кислых вод с коррекцией значения рН. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрокоагулятор в виде электродного блока, содержащий корпус с нижним днищем, боковыми стенками, изолирующими прокладками, верхним фланцем и съемной крышкой, однополярные электроды, токоподводы к электродам, штуцера ввода и вывода, отличающийся тем, что анод расположен соосно внутри вертикального цилиндрического корпуса в виде крестообразной опоры, боковые ребра которого выполняют роль распорных направляющих фильтровальной перегородки, патрубок ввода исходной воды расположен в нижнем фланцевом соединении с изолирующей прокладкой, а патрубок вывода в верхней части корпуса, при этом роль катода выполняет корпус.

2. Электрокоагулятор по п.1, отличающийся тем, что анод образован пластинами, выполненными из алюминия и/или железа, совмещенными прорезанными по высоте встречными пазами.

3. Электрокоагулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала анода используется ОРТА (окиснорутеневый титан).

4. Электрокоагулятор по п.1, отличающийся тем, что соотношение площадей катода и анода составляет 1:1÷1,5 при минимальном расстоянии между ними 10 мм.