Устройство для получения феррата натрия Российский патент 2025 года по МПК C25B9/21 C25B15/29 C25B1/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к устройству для получения феррата натрия.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно устройство для получения феррата натрия, раскрытое в CN 102925919 А, опубл. 13.02.2013. Устройство представляет собой электрохимическую ячейку, которая состоит из 2-х анодных камер по бокам и одной катодной камеры посередине. Аноды выполнены многослойными, с расстоянием 2-5 мм между ними, крайний анод и катод максимально приближены к мембране на расстояние 2-5 мм, что обеспечивает высокую производительность и низкие энергозатраты. Аноды представляют собой несколько (от 1 до 6) разнесенных пластин из вспененного железа толщиной 0,5-1 мм, расстояние между ними 3-6 мм.

Недостатком раскрытого выше технического решения является сложная конструкция заменяемых расходуемых анодов и высокая концентрация щелочи в электролите (40-50%), повышающая стоимость феррата.

Кроме того, из уровня техники известно устройство для получения феррата натрия, раскрытое в KR 20130112217 А, опубл. 14.10.2013, прототип. Устройство представляет собой электрохимическую ячейку, которая состоит из одной анодной и двух катодных камер, разделенных катионообменными мембранами, при этом аноды и катоды расположены посередине анодной камеры.

Недостатком раскрытого выше технического решения является большое расстояние между электродами, низкая производительность, высокая плотность тока, что требует использования специальных мембран и требует высокой скорости рециркуляции для предотвращения разогрева раствора свыше 50°С.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка универсального компактного устройства для получения феррата натрия.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности и срока службы заявленного устройства.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для получения феррата натрия в виде электрохимического реактора содержит две катодные камеры, одну анодную камеру с по меньшей мере одним анодом, расположенную между катодными камерами с катодом в виде катодных рамок с мембранами, разделяющими указанные камеры, и боковую камеру, расположенную с торцов катодных и анодных камер, при чем электрохимический реактор оборудован двумя узлами подачи щелочного электролита NaOH в нижнюю часть катодных камер, узлом выдачи раствора феррата натрия, растворенного в NaOH, из верхней части анодной камеры, а боковая камера выполнена с возможностью накопления указанного раствора феррата натрия, поступающего из анодной камеры и возврата указанного раствора феррата натрия в анодную камеру.

Боковая камера оборудована фотоколориметрическим датчиком определения концентрации указанного раствора феррата натрия, расположенным в проточной кювете.

Фотоколориметрический датчик определения концентрации указанного раствора феррата натрия оборудован по меньшей мере двумя светофильтрами. Объем анодной камеры равен двум объемам катодных камер. При ширине анодной камеры менее 10 мм, в анодной камере расположен один анод.

При ширине анодной камеры более 10 мм, в анодной камере расположено два анода, при этом расстояние между анодами и мембранами не превышает 10 мм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - заявленное устрой (вид сверху);

Фиг. 2 - заявленное устройство (вид спереди).

1 - катодная камера; 2 - анодная камера; 3 - боковая камера; 4 - бак для хранения щелочного электролита; 5 - трубопровод подачи щелочного электролита; 6 - трубопровод подачи готового раствора феррата натрия; 7 - бак для хранения готового раствора феррата натрия.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявленное устройство для получения феррата натрия в виде электрохимического реактора в виде единого корпуса, который содержит две катодные камеры (1), одну анодную камеру (2) по меньшей мере одним анодом, расположенную между катодными камерами (1) с катодом в виде катодных рамок с мембранами, разделяющие указанные камеры (1, 2), и боковой камерой (3) расположенной с торцов катодных (1) и анодной (2) камер. Электрохимический реактор оборудован двумя узлами подачи щелочного электролита - NaOH в нижнюю часть катодных камер (1) и узлом выдачи раствора феррата натрия, растворенного в NaOH, из верхней части анодной камеры (2). Боковая камера (3) выполнена с возможностью накопления раствора феррата натрия, поступающего из анодной камеры (1) и возврата раствора феррата натрия в анодную камеры (1).

Боковая камера (3) оборудована фотоколориметрическим датчиком определения концентрации раствора феррата натрия, расположенным в проточной кювете, по показаниям которого осуществляют регулировку производительности и степени концентрации раствора реагента.

Фотоколориметрический датчик определения концентрации раствора феррата натрия оборудован по меньшей мере двумя светофильтрами (зеленый и красный).

Объем анодной камеры (2) равен двум объемам катодных камер (1).

При ширине анодной камеры (2) менее 10 мм, в ней расположен один анод.

При ширине анодной камеры (2) более 10 мм, в ней расположены два анода, при этом аноды расположены в ней таким образом, что расстояние между анодами и мембранами не превышает 10 мм.

Щелочной электролит NaOH ускоряет разложение расходуемого анода и способствует повышению выхода раствора феррата натрия. Концентрация щелочного электролита 5-40 мас.%, которая является оптимальной величиной ввиду того, что производительность и устойчивость феррата к разложению повышаются с увеличением концентрации щелочного электролита.

Производительность - это скорость разложения стального анода в щелочном электролите, растет с увеличением концентрации щелочи.

Устойчивость феррата - это сопротивляемость синтезированного феррата паразитному процессу разложения с выделением кислорода и образованием гидроксида натрия. Чем выше концентрация щелочи и концентрация самого полученного феррата, тем медленнее скорость его разложения.

Заявленное устройство работает следующим образом. Раствор гидроксида натрия с концентрацией 20 мас.% из бака (4) для хранения щелочного электролита по трубопроводу подачи щелочного электролита через узлы (например, патрубки) подачи щелочного электролита в нижнюю часть катодных камер поступает в катодные камеры (1), а затем перетоком поступает в анодную камеру (2) при достижении уровня перелива.

Как только катодные (1) и анодная (2) камеры заполнены, подачу щелочного электролита прекращают и осуществляют процесс электролиза, при котором образующиеся в анодной камере (1) ионы натрия взаимодействуют с ионами железа стального анода с образованием на поверхности щелочного электролита раствора феррата натрия. Для непрерывного получения раствора феррата натрия необходимо подавать свежий щелочной электролит, т.к. без подачи щелочного электролита процесс получения раствора феррата натрия постепенно замедляется, так как концентрация щелочного электролита в катодных камерах (1) растет, а в анодной камере (2) в процессе синтеза раствора феррата натрия снижается за счет перехода ионов натрия через ионообменную мембрану из анодной (2) камеры в катодные камеры (1). Скорость производства раствора феррата натрия снижается с уменьшением концентрации щелочного электролита в анодной камере. Кроме того, градиент концентрации между катодной (1) и анодной (2) камерами растет, что замедляет переход ионов натрия из анодной камеры (2) с щелочным электролитом с меньшей концентрацией в катодную камеру (1) с щелочным электролитом с большей концентрацией.

При подаче свежего щелочного электролита происходит образование новой порции раствора феррата натрия, а также вытеснение образовавшегося раствора феррата натрия, который перетоком попадает в боковую камеру (3) при достижении уровня перелива. Таким образом, подача щелочи в катодную камеру определяет взаимосвязанную с ней скорость отбора феррата из анодной камеры и регулирует объем производимого продукта.

Для увеличения концентрации раствора феррата натрия предусмотрен возврат раствора феррата натрия из нижней части боковой камеры (3) в нижнюю часть анодной камеры (2) при помощи трубопровода и насоса. В результате в заявленном устройстве реализован непрерывный синтез раствора феррата натрия с его рециркуляцией между анодной (2) и боковой (3) камерами. Концентрацию раствора определяют при помощи фотоколориметрического датчика определения концентрации раствора феррата натрия, расположенного в боковой камере (3).

При достижении необходимой концентрации раствора феррата натрия в процессе его непрерывного производства, осуществляют отбор раствора феррата натрия из боковой (3) камеры в бак (6) для хранения готового раствора феррата натрия или его дозирование для очистки сточных и природных вод на месте потребления (на станциях водоочистки) при помощи насоса и трубопровода (7) подачи готового раствора феррата натрия, связанный с узлом (например, патрубком) выдачи раствора феррата натрия из верхней части боковой (3) камеры.

Производительность (количество/масса полученного раствора феррата натрия) заявленного устройства прямо пропорциональна концентрации произведенного раствора феррата натрия, оптимальная величина которого (табл.1) регулируется расходом щелочного электролита на производство феррата и взаимосвязанной с ней скоростью отбора феррата, а также за счет изменения скорости подачи раствора феррата натрия при его рециркуляции из боковой камеры в анодную.

С увеличением скорости отбора раствора феррата натрия, выход по току феррата и производительность заявленного устройства возрастают, а энергопотребление снижается. Но при этом расход щелочного электролита значительно возрастает (более, чем в 6 раз), пропорционально ему растет и стоимость производимого раствора феррата натрия. Поэтому в заявленном изобретении была выбрана оптимальная скорость отбора раствора феррата натрия 4 мл/мин, что позволяет поддерживать концентрацию феррата натрия в произведенном растворе на примерно постоянном уровне около 6 г/л, (табл. 1). Чем выше концентрация феррата в анолите, тем меньшее количество раствора необходимо добавлять для очистки, и ниже рН очищенной воды. Изменение скорости подачи щелочи позволяет регулировать скорость отбора феррата, его концентрацию в растворе и объем производимого раствора под конкретную воду для очистки. Например, доза феррата с концентрацией около 6 г/л для обеззараживания воды составляет 0,1-0,2 мг/л, а для промышленных химических стоков до 50-60 мг/л.

Рециркуляция раствора феррата между анодной и боковой камерой с подачей щелочного электролита снизу и его отбором сверху перетоком в боковую камеру способствует смыву оксидной пленки с анодов раствором феррата натрия и отбору раствора с наибольшей концентрацией феррата, переливающегося самотеком при достижении уровня перелива. Рециркуляция феррата между анодной и боковой камерами способствует предотвращению образования оксидной пленки на поверхности анодов, подавляющей синтез раствора феррата натрия, и повышению концентрации феррата в растворе.

Кроме того, рециркуляция раствора феррата натрия повышает срок безостановочной эксплуатации установки (между заменами расходуемых анодов) за счет снятия диффузионных ограничений на поверхности расходуемого анода и предотвращения образования оксидной пленки на поверхности анодов, подавляющей синтез раствора феррата натрия.

В заявленном устройстве уменьшение ширины анодной камеры (анодная между катодными) или размещение в ней одного или двух анодов, максимально приближенных к мембране (не более 10 мм), вместо одного по середине, позволяет повысить срок службы и производительность заявленного устройства за счет уменьшения расстояния между анодом/катодом и мембраной, прямо пропорционального напряжению на ячейке, снижение которого повышает производительность заявленного устройства и замедляет пассивацию анода, снижая длительность безостановочной работы устройства.

Фотоколориметрический датчик определения концентрации раствора феррата натрия позволяет контролировать концентрацию раствора феррата натрия непосредственно в процессе производства, а при известной производительности насосов можно контролировать производительность заявленного устройства, исходя из формулы:

Q=C*V, где Q - количество/масса полученного раствора феррата натрия, г/ч; С - концентрация раствора феррата натрия, г/л; V - производительность насоса, л/ч.

Задача быстрого изменения размеров электрохимической ячейки, в том числе уменьшения ширины анодной камеры при необходимости повышения концентрации феррата в растворе под конкретные стоки решена путем изготовления корпуса ячейки, и встроенного фотоколориметрического датчика при помощи 3D печати из армированного стекловолокном стойкого к щелочи и феррату полипропилена марки Nova PPGF, обладающего высокой химической стойкостью в щелочи и растворе феррата производимых концентраций (до 10 г/л). При 3D-печати из-за разной скорости охлаждения верхних и нижних слоев возникает усадка и деформация корпуса электрохимической ячейки. Армирование полипропиленовой нити коротким стекловолокном существенно снижает усадку и коробление корпуса электрохимической ячейки, а также повышает ее прочность и жесткость. При печати полипропиленовой нитью усадка составляет 6%, а при использовании нити из армированного полипропилена усадка снижается до 0,2%.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к устройству для получения феррата натрия в виде электрохимического реактора, содержащего две катодные камеры, одну анодную камеру с по меньшей мере одним анодом, расположенную между катодными камерами с катодом в виде катодных рамок с мембранами, разделяющими указанные камеры, и боковую камеру, расположенную с торцов катодных и анодных камер. При этом электрохимический реактор оборудован двумя узлами подачи щелочного электролита NaOH в нижнюю часть катодных камер, узлом выдачи раствора феррата натрия, растворенного в NaOH, из верхней части анодной камеры, а боковая камера оборудована фотоколориметрическим датчиком определения концентрации указанного раствора феррата натрия, расположенным в проточной кювете, и выполнена с возможностью накопления указанного раствора феррата натрия, поступающего из анодной камеры и возврата указанного раствора феррата натрия в анодную камеру. Использование изобретения позволяет повысить производительность и увеличить срок службы устройства. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Устройство для получения феррата натрия в виде электрохимического реактора, содержащего две катодные камеры, одну анодную камеру с по меньшей мере одним анодом, расположенную между катодными камерами с катодом в виде катодных рамок с мембранами, разделяющими указанные камеры, и боковую камеру, расположенную с торцов катодных и анодных камер, при чем электрохимический реактор оборудован двумя узлами подачи щелочного электролита NaOH в нижнюю часть катодных камер, узлом выдачи раствора феррата натрия, растворенного в NaOH, из верхней части анодной камеры, а боковая камера оборудована фотоколориметрическим датчиком определения концентрации указанного раствора феррата натрия, расположенным в проточной кювете, и выполнена с возможностью накопления указанного раствора феррата натрия, поступающего из анодной камеры и возврата указанного раствора феррата натрия в анодную камеру.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фотоколориметрический датчик определения концентрации указанного раствора феррата натрия оборудован по меньшей мере двумя светофильтрами.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что объем анодной камеры равен двум объемам катодных камер.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что при ширине анодной камеры менее 10 мм в анодной камере расположен один анод.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что при ширине анодной камеры более 10 мм в анодной камере расположено два анода, при этом расстояние между анодами и мембранами не превышает 10 мм.