Автоматическое устройство циклического действия для электрохимической активации водных растворов Российский патент 2023 года по МПК C02F1/461 

Изобретение относится к области электротехнологий, в частности к электрохимии, и может быть использовано в промышленности и сельском хозяйстве.

Из уровня техники известна промышленная установка для электрохимической активации воды [1], содержащая блок питания, несколько реакторов, в каждом из которых имеется ионопроницаемая диафрагма, разделяющая реактор на анодную и катодную камеры с электродами, причем реакторы разделены по парам, каждая пара реакторов имеет шкаф управления и силовое электрическое оборудование, систему подачи воды, сборные емкости для активированной воды, насосное оборудование для её транспортировки и систему вентиляции, причем реакторы в паре включены между собой с возможностью работы по очереди - один в режиме производства электрохимической активированной воды, а другой - в режиме подготовки.

Недостатком данного устройства является низкая энергоэффективность, вызванная достаточно интенсивным энергообменом активированной воды в сборных ёмкостях с внешней средой (контактом с атмосферой), как следствие, малый срок хранения активированной воды, отсутствием средств регулирования технологических режимов работы устройства в процессе обработки воды, сплошными электродами, ведущими к увеличению времени обработки водного раствора вследствие осложнения осуществления естественного конвективного теплообмена и перемешивания раствора, неравномерным распределением плотности тока по поверхности цилиндрических электродов, по причине выбранного расположения электрического контакта для подвода энергии к электродам, а также накоплением отложений солей жесткости на электродах в процессе эксплуатации устройства и увеличением потерь энергии. Кроме того, промышленная установка (реактор со сборными ёмкостями для активированной воды) занимает относительно большую площадь, что в ряде случаев ограничивает ее практическое применение.

Известно также устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов [2], содержащее емкость для воды и водных растворов, в которой смонтированы электроды: катод и анод, выполненные в виде проточных каналов и подключенные к источнику постоянного тока, ёмкости для анолита и католита, причём каналы в электродах выполнены регулируемыми за счет установки вентилей для изменения расхода анолита и католита.

Недостатком данного устройства является низкая энергоэффективность, вызванная достаточно интенсивным энергообменом активированной воды в сборных ёмкостях с внешней средой (контактом с атмосферой), и, как следствие, малый срок хранения активированной воды, отсутствием средств регулирования технологических режимов работы устройства в процессе обработки воды, малой активной площадью электродов, а также накоплением отложений солей жесткости на электродах в процессе эксплуатации устройства и увеличением потерь энергии.

Наиболее близким по технической сущности является электроактиватор воды [3], содержащий корпус, катодную и анодную камеры с электродами, ионопроницаемую диафрагму, патрубки с запорными элементами для подачи воды и сброса католита и анолита, установленные по бокам цилиндрического корпуса, клеммы, источник постоянного тока, программируемый блок управления, поплавковый датчик уровня воды, электромагнитные реле, части электродов, расположенные в воде, выполнены трубчатыми и перфорированными, патрубки для сброса католита и анолита установлены напротив середины вертикальной оси частей электродов, находящихся в воде, и снабжены насосами для периодического забора получаемых растворов, источник постоянного тока соединен с электродами через программируемый блок управления, представляющий собой микроконтроллер, который сообщен через электромагнитные реле с насосами для периодического забора получаемых растворов и с запорными элементами, выполненными в виде соленоидных клапанов, расположенными в патрубках для подачи воды и слива католита и анолита, также микроконтроллер соединен с поплавковым датчиком уровня воды.

Недостатком прототипа является низкая энергоэффективность, вызванная достаточно интенсивным энергообменом активированной воды в сборных ёмкостях с внешней средой (контактом с атмосферой), и, как следствие, малый срок хранения активированной воды, малой активной площадью электродов, а также накоплением отложений солей жесткости на электродах в процессе эксплуатации устройства и увеличением потерь энергии. Кроме того, известное техническое решение (корпус совместно с ёмкостями для активированной воды) занимает относительно большую площадь.

Задачей изобретения является повышение энергоэффективности устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для электрохимической активации водных растворов, включающем цилиндрический корпус реактора, выполненный из диэлектрического материала, катодную и анодную камеры, образованные ионопроницаемой диафрагмой (мембраной), электроды, подключенные к регулируемому источнику постоянного тока, программируемый блок управления, соединенный с регулируемым источником постоянного тока, а также насосы, электромагнитные клапаны и патрубки, установленные в корпусе устройства, содержатся резервуар для раздельного хранения фракций активированной воды, отделенный от корпуса реактора первой перегородкой, и состоящий из двух отделений, образованных второй перегородкой, механизм спуска активированной воды из корпуса реактора в резервуар через отверстия для слива, включающий сервопривод и стержни с прорезиненными наконечниками, первые патрубки, установленные по линии центра крышки корпуса реактора, и соединенные последовательно с первым насосом, первым расходомером и первым электромагнитным клапаном, второй патрубок, установленный в нижней части резервуара для хранения первой фракции активированной воды и последовательно соединенный со вторым насосом, вторым расходомером и вторым электромагнитным клапаном, третий патрубок установленный в нижней части резервуара для хранения второй фракции активированной воды и последовательно соединенный с третьим насосом, третьим расходомером и третьим электромагнитным клапаном, причем программируемый блок управления электрически связан с насосами, расходомерами, электромагнитными клапанами и сервоприводом, четвёртые патрубки, установленные в крышке корпуса реактора, связанные посредством трубок с пятыми патрубками, расположенными в верхней части резервуара, а также шестые патрубки, расположенные в верхней части резервуара.

Технический результат заключается в увеличении временного диапазона использования электрохимически активированных растворов с заданными свойствами в технологических процессах за счёт применения газовой защиты активированных жидкостей от нейтрализующего воздействия атмосферного воздуха [4-7], а также в увеличении производительности устройства и снижении энергоёмкости процесса получения электрохимически активированных растворов за счёт наличия автоматического режима работы, использования коаксиального расположения электродов (звездообразного распределения тока) [8].

На фигурах 1 и 2 представлена конструкция предлагаемого автоматического устройства циклического действия для электрохимической активации водных растворов.

Устройство содержит цилиндрический корпус реактора 1, выполненный из диэлектрического материала, имеющий коаксиально расположенные электроды 2 и 3 с ионопроницаемой диафрагмой 4, разделяющей пространство корпуса реактора 1 на равные объёмы, анодную и катодную камеры, цилиндрический резервуар 5, выполненный из диэлектрического материала для раздельного хранения фракций активированной воды (католита и анолита), отделенный от корпуса реактора 1 первой перегородкой 6 и состоящий из двух отделений, образованных второй перегородкой 7, механизм спуска фракций активированной воды из корпуса реактора 1 в резервуар 5 через отверстия для слива 8, включающий сервопривод 9 и стержни 10 с прорезиненными наконечниками 11, первые патрубки 12, установленные по линии центра в крышке 13 корпуса реактора 1 и соединенные последовательно с первым электромагнитным клапаном 14, первым расходомером 15 и первым насосом 16, второй патрубок 17, установленный в нижней части одного из отделений резервуара 5, для хранения первой фракции активированной воды и соединенный последовательно со вторым электромагнитным клапаном 18, вторым насосом 19 и вторым расходомером 20, третий патрубок 21, установленный в нижней части одного из отделений резервуара 5, для хранения второй фракции активированной воды и соединенный последовательно с третьим расходомером 22, третьим насосом 23 и третьим электромагнитным клапаном 24, причём программируемый блок управления 25 электрически связан с насосами 16, 19, 23, расходомерами 15, 20, 22 и сервоприводом 9, четвёртые патрубки 26, установленные в крышке 13 корпуса реактора 1 и связанные посредством трубок 27 с пятыми патрубками 28, расположенными в верхней части резервуара 5, а также шестые патрубки 29, расположенные в верхней части резервуара 5.

Объём резервуара 5 для хранения активированной воды равен объёму корпуса реактора 1 или может превышать его.

Через патрубки 12 осуществляется наполнение корпуса реактора 1 водным раствором перед началом процесса активации, патрубки 17 и 21 предназначены для подачи фракций активированной воды (католита и анолита) из резервуара 5 потребителю.

С помощью трубок 27 осуществляется отвод газообразных продуктов электролиза из корпуса реактора 1 в отделения резервуара 5, а патрубки 29 предназначены для выхода излишних газов из резервуара 5 в систему вентиляции (на фигурах не показана).

Газообразные продукты электролиза, образующиеся в процессе электрохимической активации в корпусе реактора 1, используются для создания газовой среды в камерах хранения резервуара 5, позволяющей защитить активированные жидкости от нейтрализующего воздействия атмосферного воздуха и увеличить их срок хранения, что позволяет использовать полученные растворы более эффективно.

Увеличение срока хранения или снижение скорости потери свойств активированной воды согласуется с повышением энергоэффективности устройства активации. Во-первых, из [9] известно, что скорость релаксации (процесса потери свойств активированной водой) зависит от условий энергообмена электроактивированного раствора с окружающей средой (чем больше энергообмен, тем выше скорость релаксации), а вместе с этим из [4-7] известно, что потеря свойств активированной воды в большей степени обусловлена её контактном с воздушной средой. Совмещая два вышеперечисленных обстоятельства, можно заключить, что если прекратить контакт между атмосферным воздухом и обработанными растворами, удастся снизить скорость релаксации, что равносильно снижению энергообмена активированных жидкостей. Во-вторых, для достижения определённых количественных показателей степени активации водного раствора требуется затратить определённое количество энергии, то есть степень активации эквивалентна затраченной энергии на обработку. Создавая условия, при которых уровень активации обработанной воды за одно и то же время снижается менее интенсивно, чем в обработанной воде без наличия данных условий, удаётся снизить долю потерянной энергии.

Программируемый блок управления 25, управляющий источником питания 31, исполнительными устройствами, включающими в себя насосы подачи воды 16, 19, 23, сервопривод механизма спуска 9 и принимающий сигналы от расходомеров 15, 20, 22, позволяет производить смену полярности напряжения на электродах 2 и 3, что ведёт к более равномерному расходу материала электродов и их очищению от отложений солей жёсткости, чему следует увеличение срока службы электродов.

Использование программируемого блока управления позволяет автоматизировать процесс электрохимической активации, а наличие автоматического режима работы устройства в значительной степени способствует увеличению производительности устройства, удобству эксплуатации, качеству продукции и более рациональному использованию производственных ресурсов.

Электроды 2 и 3 соосны корпусу реактора 1. Применение звездообразного распределения тока ведёт к значительному снижению расхода конструктивных материалов, при снижении омических потерь. Центральный электрод 2 перфорирован, с целью интенсификации процесса активации, и закреплён к крышке устройства 13 посредством контактной пластины 30, способствующей равномерному распределению плотности тока по поверхности электрода 3. Электрод большего радиуса 3 не имеет перфораций и крепится к корпусу реактора 1. Подвод электрической энергии к электродам 2 и 3 осуществляется от регулируемого источника постоянного тока 31 посредством болтовых соединений 32 и 33, одновременно являющихся креплениями электродов 2 и 3 к частям корпуса устройства, а лента 34 из токопроводящего материала, контактирующая с болтовыми соединениями 33, позволяет подать напряжение на электрод большего радиуса 3, используя всего один контакт. Ионопроницаемая диафрагма (мембрана) 4 выполнена, например, из хлопчатобумажной фильтровальной ткани.

Устройство работает следующим образом.

Цикл активации начинается с того, что программируемый блок управления 25 подаёт сигнал на открытие электромагнитного клапана 14, включает насос 16 и водный раствор по патрубкам 12 подаётся в камеры реактора 1. При достижении заданного объёма жидкости, вычисленного расходомером 15, программируемый блок управления 25 отключает насос 16, закрывает электромагнитный клапан 14, и подача воды в камеры реактора 1 прекращается.

Далее программируемый блок управления 25 подаёт сигнал на источник питания 31, который в свою очередь осуществляет подачу напряжения на электроды 2 и 3 посредством соединения 32 и контактной пластины 30 для центрального электрода 2, и соединений 33 с лентой 34 для электрода 3. Под воздействием постоянного электрического тока в воде протекают процессы, вследствие которых сопротивление межэлектродного промежутка изменяется, и тогда программируемый блок управления 25, обладающий функцией стабилизации рабочего тока, корректирует величину силы тока, за счет чего ток приходит в своё заданное начальное значение, и поддерживается на заданном уровне, установленном в блоке управления 25, в течение всего процесса активации.

Газообразные продукты электролиза, выделяющиеся в процессе электрохимической активации в реакторе 1, отводятся по патрубкам 26 через трубки 27 и поступают в отделения резервуара 5 по патрубкам 28, с целью создания защитной газовой среды для активированных жидкостей, а патрубки 29 позволяют выпустить излишние газы из резервуара 5 в систему вентиляции (на фигурах не показана).

По истечении заданного времени, требуемого для достижения желаемых параметров водного раствора, программируемый блок управления 25 выдаёт сигнал на источник питания 31, и подача напряжения на электроды 2 и 3 прекращается, равно как и процесс (цикл) электрохимической активации.

Механизм спуска активированной жидкости из корпуса реактора 1 в резервуар 5 срабатывает только в том случае, если суммарный объём активированной жидкости в устройстве активации не превышает вместимость резервуара 5 и, если после предыдущего цикла активации не происходила смена полярности напряжения на электродах 2 и 3 при наличии в резервуаре 5 объёма активированной воды, достаточного для того, чтобы отклонить параметры полученного раствора от заданных значений на недопустимую величину. При выполнении выше перечисленных условий программируемый блок управления 25 подаёт сигнал на сервопривод механизма спуска 9 и посредством стержней 10 с прорезиненными наконечниками 11 открываются отверстия для слива 8, и активированные растворы из камер реактора 1 поступают в соответствующие отделения резервуара 5. По истечении заданного времени, требуемого для слива активированного раствора из корпуса реактора 1, наконечники 11 стержней 10 закрывают отверстия для слива 8.

По требованию активированная вода из резервуара 5 подаётся потребителю через патрубки 17 и 21 с использованием насосов 19, 23, имеющих возможность регулирования напора.

Смена полярности электродов 2 и 3 осуществляется блоком управления 25 с помощью регулируемого источника постоянного тока 31 в начале каждого N-ого цикла активации, для более равномерного расхода материала электродов и их очищения от отложений солей жёсткости. Число N определяется из соотношения площадей электродов.

Таким образом, предложенное устройство позволяет эффективно получать и использовать электрохимически активированные растворы с заданными свойствами.

Кроме этого, за счет того, что резервуар для хранения активированной воды располагается в непосредственной близости от корпуса реактора и механически соединён с ним, площадь, занимаемая устройством, оказывается минимальной. Материалом корпуса реактора и резервуара является диэлектрик, что повышает безопасность эксплуатации устройства. Наличие автоматического режима работы устройства в процессе электрохимической активации растворов способствует увеличению производительности устройства, удобству его эксплуатации, повышению качества продукции и более рациональному использованию производственных ресурсов. Стабилизация тока активации позволяет получить раствор более высокого качества. Возможность смены полярности напряжения на электродах позволяет увеличить их срок работы путём более равномерного расхода материала и их очищения от отложений солей жёсткости. Предложенное расположение и количество болтовых соединений способствует равномерному распределению плотности тока по поверхности электрода большего радиуса. Применение звездообразного распределения тока ведёт к значительному снижению расхода конструктивных материалов, при снижении омических потерь. Центральный электрод перфорирован с целью интенсификации процесса активации, и закреплён к крышке устройства посредством контактной пластины, способствующей равномерному распределению плотности тока по поверхности электрода.

Новизна изобретения состоит в том, что газообразные продукты электролиза, образующиеся в процессе электрохимической активации в корпусе реактора, используются для создания газовой среды в камерах хранения резервуара, позволяющей защитить активированные жидкости от нейтрализующего воздействия атмосферного воздуха и тем самым увеличить их срок функционирования, что предоставляет возможность использовать электрохимически активированные растворы после активации на более длительном временном промежутке. Резервуар для хранения активированной воды располагается в непосредственной близости от корпуса реактора и механически соединён с ним, что позволяет минимизировать площадь, занимаемую устройством. Программируемый блок управления позволяет автоматизировать процесс электрохимической активации, а наличие автоматического режима работы устройства в значительной степени способствует увеличению производительности устройства, удобству эксплуатации, качеству продукции и более рациональному использованию производственных ресурсов.

Источники информации

1. RU N 2542316, МПК C02F 1/46. Промышленная установка для электрохимической активации воды. - Заявлено 01.03.2012. Опубликовано 20.02.2015.

2. RU N 194318, МПК C02F 1/461. Устройство для электрохимической обработки воды и водных растворов. - Заявлено 02.07.2019. Опубликовано 05.12.2019.

3. RU N 2710569, МПК C02F 1/461, C25B 15/02, C25B 11/03. Электроактиватор воды. - Заявлено 28.06.2019. Опубликовано 27.12.2019.

4. Хямяляйнен М.М. Применение электрохимически активированных растворов в водопроводно-канализационном хозяйстве для обеззараживания воды: автореф … дис. кан. тех. наук. - Санкт-Петербург: 2005. - 24 с.

5. Хацуков С.М. Режимы работы электрохимического активатора и параметры активации воды в технологической линии поения птицы: автореф … дис. кан. тех. наук. - Зерноград: 2003. - 20 с.

6. Пындак В.И. Энергоэффективные нанотехнологии при возделывании озимой пшеницы / В.И. Пындак, В.В. Гришанов // Известия НВ АУК. - Волгоград: ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», 2013. - №2 (30). - С. 194-199.

7. Попова И.Ю. Релаксация электрохимически активированной воды и способы ее консервирования / И.Ю. Попова, В.И. Лобышев // Тезисы докладов VII международного симпозиума «Информационно-технологическое и медицинское обеспечение защиты населения и охраны окружающей среды в чрезвычайных ситуациях», Кипр - Протарас, 29 апреля-6 мая 2000. - Санкт-Петербург, 2000. - С. 245-256.

8. Якименко Л.М. Электродные материалы. - М.: Химия, 1977. - С. 71.

9. Бахир В.М. Электрохимическая активация: изобретения, техника, технология. - М.: ВИВА-СТАР, 2014. - С. 14.

Изобретение относится к области электротехнологий, в частности к электрохимии, и может быть использовано в промышленности и сельском хозяйстве. Устройство содержит цилиндрический корпус реактора, выполненный из диэлектрического материала, катодную и анодную камеры, образованные ионопроницаемой диафрагмой - мембраной, электроды, подключенные к регулируемому источнику постоянного тока, программируемый блок управления, соединенный с источником постоянного тока, насосы, электромагнитные клапаны и патрубки, установленные в корпусе устройства. Электроды выполнены цилиндрическими соосными корпусу реактора. Устройство содержит резервуар для раздельного хранения фракций активированной воды, отделенный от корпуса реактора первой перегородкой. Резервуар состоит из двух отделений, образованных второй перегородкой. Механизм спуска активированной воды из корпуса реактора в резервуар через отверстия для слива включает сервопривод и стержни с прорезиненными наконечниками. По линии центра крышки корпуса реактора установлены первые патрубки, соединенные последовательно с первым насосом, первым расходомером и первым электромагнитным клапаном. В нижней части резервуара для хранения первой фракции активированной воды установлен второй патрубок, последовательно соединенный со вторым насосом, вторым расходомером и вторым электромагнитным клапаном. В нижней части резервуара для хранения второй фракции активированной воды установлен третий патрубок, последовательно соединенный с третьим насосом, третьим расходомером и третьим электромагнитным клапаном. Программируемый блок управления электрически связан с насосами, расходомерами, электромагнитными клапанами и сервоприводом. В крышке корпуса реактора установлены четвёртые патрубки, связанные посредством трубок с пятыми патрубками, расположенными в верхней части резервуара, а также шестые патрубки, расположенные в верхней части резервуара. Технический результат: увеличение временного диапазона использования электрохимически активированных растворов с заданными свойствами в технологических процессах за счёт применения газовой защиты активированных жидкостей от нейтрализующего воздействия атмосферного воздуха, увеличение производительности устройства и снижение энергоёмкости процесса за счёт наличия автоматического режима работы и использования. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автоматическое устройство циклического действия для электрохимической активации водных растворов, содержащее цилиндрический корпус реактора, выполненный из диэлектрического материала, катодную и анодную камеры, образованные ионопроницаемой диафрагмой - мембраной, электроды, подключенные к регулируемому источнику постоянного тока, программируемый блок управления, соединенный с источником постоянного тока, а также насосы, электромагнитные клапаны и патрубки, установленные в корпусе устройства, отличающееся тем, что электроды выполнены цилиндрическими соосными корпусу реактора, устройство содержит резервуар для раздельного хранения фракций активированной воды, отделенный от корпуса реактора первой перегородкой и состоящий из двух отделений, образованных второй перегородкой, механизм спуска активированной воды из корпуса реактора в резервуар через отверстия для слива, включающий сервопривод и стержни с прорезиненными наконечниками, первые патрубки, установленные по линии центра крышки корпуса реактора и соединенные последовательно с первым насосом, первым расходомером и первым электромагнитным клапаном, второй патрубок, установленный в нижней части резервуара для хранения первой фракции активированной воды и последовательно соединенный со вторым насосом, вторым расходомером и вторым электромагнитным клапаном, третий патрубок, установленный в нижней части резервуара для хранения второй фракции активированной воды и последовательно соединенный с третьим насосом, третьим расходомером и третьим электромагнитным клапаном, причем программируемый блок управления электрически связан с насосами, расходомерами, электромагнитными клапанами и сервоприводом, четвёртые патрубки, установленные в крышке корпуса реактора, связанные посредством трубок с пятыми патрубками, расположенными в верхней части резервуара, а также шестые патрубки, расположенные в верхней части резервуара.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центральный электрод выполнен перфорированным.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрические электроды закреплены к крышке и корпусу реактора при помощи болтовых соединений, одновременно являющихся и токоподводящими элементами.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве токоподводящих элементов выступают контактная пластина и лента.