Электролизер для обработки водных растворов Советский патент 1990 года по МПК C02F1/46 C02F103/16 

Изобретение относится к г)рикладной электрохимии, в частности к электролизерам для обработки водных растворов, и может быть использовано в .гальваническом производстве и других областях, где применяются растворы с повышенным содержанием ионов водорода или гидро- ксила. .

Цель изобретения - повьшение эффективности работы электролизера путем обеспечения возможности регулирования рН раствора без применения диафрагмы.

На чертеже представлен электролизер, общий вид, разрез.

Устройство содержит корпус 1 (камера) электролизера, крышку 2, внешний электрод 3, внутренний электрод , входные клеммы 5 электродов, впускной патрубок 6, выпускной патрубок 7.

Устройство работает следующим образом.

Водный раствор (жидкость) через впускной патрубок 6 поступает в камеру 1 электролизера со скоростью не более чем 0,1 л/мин. Как только камера электролизера заполняется до половины., на входные клеммы 5 электродов подают напряжение. При этом начинается процесс электролиза, о котором можно судить по газовыделению на внешнем 3 и внутреннем k электродах, жестко закрепленных на крышке 2 электролизера. Отработанная жидкость через патрубок 7 вытекает к потребителю.

Согласно закону Фарадея при протекании реакции как на внутреннем, так и на внешнем электроде, затрачивается одинаковое количество электричества. Следовательно, материальный эффект электродных реакций должен быть одинаков. Однако, вследствие большого различия поверхностей внутреннего и внешнего электродов, скорость образования продуктов реакции на единице поверхности внутреннего электрода (меньшего по площади) будет значительШ

ел |

Од

315973

HO больше таковой для внешнего элек10

15

25

30

трода (большего пр площади), Это созает градиент концентраций продуктов реакции внутреннего электрода и способствует их быстрому перемещению от внутреннего к внешнему электроду. Кроме того, высокая плотность тока на внутреннем электроде обусловливает локальный нагрев электролита и последующее его конвективное перемещение по направлению от центра к периферии электролизера (от внутреннего электрода к внешнему).

На внешнем электроде также будут протекать реакции, но скорость образования их продуктов на единице поверхности будет существенно меньше, чем на внутреннем электроде. Вследствие этого скорость отвода продуктов 20 реакции от поверхности электрода будет очень мала. Продукты реакции будут накапливаться в неровностях поверхности внешнего электрода, сорбироваться на ней. Кроме того, конвективный, поток, направленный от внутреннего к внешнему электроду оттесняет раствор, обогащенный продуктами реакции на внешнем электроде, к поверхности этого электрода . Толщина слоя раствора, прилегающего к поверхности внешнего электрода и обогащенного продуктами протекающей на нем реакции, будет не больше, чем толщина слоя Прандтля, что обусловлено гидродинамикой процесса. Таким образом, вследствие градиента концентрации и конвекции зона электролита, обогащенного продуктами реакции, на внутреннем электроде будет .простираться вплоть до поверхностного слоя жид- :кости на внешнем электроде.

При прокачивании через электролизер исходного раствора на выходе

устройства получим раствор, обогащенный ионами водорода или гидроксила,. генерируемыми на внутреннем электро- де. Это обусловлено тем, что раствор, обогащенный продуктами реакции на внутреннем электроде и занимающий практически весь объем электролизера, будет находиться в турбулентном движении и легко удаляется, а раствор, обогащенный продуктами реакции на внешйем электроде, образует ламинарный слой, который имеет крайне малую скорость движения (практически недвижим и остается у поверхности и в неровностях внешнего электрода).

35

40

45

50

55

эл но пр ди т

0

15

25

30

2035

40

45

50

55

Были взяты пробы электролита на разном расстоянии от внутреннего электрода, измерены рН и окислительно-восстановительный потенциал этих проб. Диаметр электролизера 80 мм, диаметр внешнего электрода 75 мм, диаметр внутреннего электрода 0,5 мм. Соотношение площадей внешнего и внутреннего электродов составляло 10. Полярность внешнего электрода - +, внутреннего электрода - -. Исходный раствор содержал Na/jS04 с концентрацией 0,2 г/л; рН 6,8; Е ок. 80ССТ, +200 мВ, Результаты эксперимента сведены в табл. 1.

Согласно результатам эксперимента, практически весь объем электролизера занимает раствор, содержащий продукты реакции, идущей на внутреннем электроде (ионы гидроксила). Граница зон электролита, обогащенных продуктами реакций, протекающих на внутреннем и внешнем электродах, лежит в непосредственной близости от поверхности внешнего электрода, что и подтверждается экспериментально (опыт 8, табл.1), рН раствора, слитого из электролизера, составил 11,24. Это свидетельствует о том, что продукты реакции, протекающей на внешнем электроде, при сливании раствора осталась в неровностях и на поверхности этого электрода.

Пример. Изготовлен лабораторный вариант устройства.

Корпус и крышка электролизера выполнены из оргстекла. Диаметр электролизера 8 см, высота 12 см. Внутренний электрод представляет собой платиновую проволоку диаметром 1 мм, длиной 8 см. Он расположен строго по центру камеры электролизера. Внешний электрод выполнен в виде цилиндра, плотно прилегающего к стенкам камеры электролизера. Он изготовлен из окис- но-рутениевой сетки, высота его 1 О см. Соотношение площадей внешнего и внутреннего электродов составляет 10 .

Кроме того, были изготовлены другие электроды с соотношением площадей 10; 100; 300; 1000; 5-10.

Испытания проводят с использованием выпрямителей ВСА-4к, рН-метра ЭВ-7.

В качестве рабочей жидкости используют водный раствор сульфата натрия с. концентрацией 0,2-1 г/л, а также водопроводную воду.

515973 +

рН исходного раствора сульфата атркя 6,8, окислительно-восстановиельный потенциал +200 мВ, температуа раствора - 20 С,

Напряжение на клеммах предлагаемоо электролизера составляло В. редний ток достигал 0,8 А. Для сооставления с предлагаемым электроизером использовали также электро- JQ изер, состоящий из камеры с электроами, пространства которых разделены иафрагмой. Водный раствор подают в зоны основного и вспомогательного электродов через входные патрубкки, j причем в пространство основного электрода подается 80-85% всей поступающей в электролизёр жидкости. Обрабатываемая в пространстве основного электрода жидкость через выходной 20 патрубок поступает к потребителю. Жидкость из пространства вспомогательного электрода через выходной патрубок сливается в канализацию. Напряжение на клеммах электролизера, 25 взятого в качестве известного устройства составляло 110 В.

Средний ток достигал 3 А. Оба электролизера имели одинаковый рабочий объем, равный 0,5 л (для электро- 30 лизера сравнения это - объем пространства основного электрода

Проведенные испытания показали преимущество предлагаемого электролизера. Результаты испытаний сведены

в табл. 2.

Дальнейшее увеличение соотношения площадей внешнего и внутреннего электродов может повлечь за собой увеличение камеры электролизера до больших размеров, что сделает его изготовление нецелесообразным или невозможным (табл. 2). Значения рН окислительно- восстановительного потенциала, кото- рые незначительно отличаются от тако- j вых у необработанного р аствора, показывают, что электролизер переста ет работать из-за засорения диафрагмы (табл. 2).

Таким образом, создается возможность 50 получать жидкость, характеризуемую определенным значением водородного показателя рН, во всем объеме электролизера, что позволит- исключить расход жидкости, связанный, с ее пода- 55 чей в пространство вспомогательного

35

40

эл с э ко т с и л л

электрода как в случае электролизера с диафрагмой. Кроме этого, может быть достигнуто снижение затрат электроэнергии за счет снижения расхода жидкости, а также за счет отсутствия потерь электроэнергии на диафрагме. Использование камеры электролизера без диафрагмы позволяет значительно увеличить продолжительность безотказной работы. Это связано с тем, что диафрагма в процессе работы засоряется побочными продуктами электролиза и продолжительность работы электролизера в JTOM случае составляет в среднем ЗО- +О ч. Срок службы электролизера данной конструкции возрастает на 2-3 порядка и определяется только материалом электродов (т.е. скоростью их разрушения). .

Формула изобретения

Электролизер для обработки водных растворов, содержащий корпус с размещенными в нем коаксиально установленными цилиндрическими электродами отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы электролизера путем обеспечения возможности регулирования рН раствора без применения диафрагмы, электроды выполнены так, что отношение площадей внешнего Звнеш. внутреннего S . электродов удовлетворяет условию

j

40

c fsl :f un mcofv-s(V4raromu LA

Изобретение относится к области прикладной электрохимии, в частности к электролизерам для обработки водных растворов, и может быть использовано в гальваническом производстве, где применяются растворы с повышенным содержанием ионов водорода или гидроксида. С целью повышения эффективности работы электролизера электроды расположены коаксиально и выполнены так, что площади внешнего и внутреннего электродов связаны соотношением 10³≤S_внешн./S_внутр. *9810⁷. 2 ТАбл., 1 ил.

m j s c;

Ю

fO

tООСЭОООООО

U-VCDLACDUr O LAO - T- fsJ CN f {V.jCDCJLAOOOOOO

rococo racvi r

чОчОчО- и -З- crirsICNl

+ + + + + + + + +

имгч r cr

COr- vDCJ-ir

o ГО r r ГЛ -:f LA O D

сэсэоооч оои CO h r- ГЛ о un CM r r

04 CvJ CM fN t- ,- I I

I I I I I I t

LA LALA

CM CJ CM - ( -

.,.,r-CDCnOOr r

оосэоосэоосз cocococooooocooooo

- -:3-LACOf rar CM

мЭ чО чО vO I O O чО vO сэооосэсэосэо

CDOOOOtpOOO

GJ I X S о CSglXX

)юзОШЩХ OZtO

j,-I о

|ц. qu)

5gq 3(U

Ю

U CE

о

X Q) QJ

Ш

3 H I ct

I X о 0) (U CD

m j X -

о LA о M LA СЭ о СЭ СЭ СПаЛГ Г ОООСО lArv-s vOvOfMvQ DvO POCM CM + Ч- + + + + + + +

ОЛ r

,- ,,,p- LAOLA

оЛ CA iv {V CO r LA vO vO

CD о oo u СЭ c; о СЭ о

r--t l -LACNl CM CM CM CM CM CM 1- I I t f I t I I 1

СЭ CO r r

осэооосиооо сэсэсэсэсэоосзо

. (

сэсэсэсэсэсэоосэ

1- fM fO - LTV I3 Г--СХЭ СП