Электролизер для очистки воды Советский патент 1993 года по МПК C02F1/46 

Изобретение относится к электрохимической очистке природных и сточных вод, в частности, к конструкции электролизера с засыпными электродами.

Цель изобретения - повышение производительности и снижение расхода электроэнергии на очистку.

На фиг.1 изображен электролизер, общий вид; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - разрез В-В на фиг.1.

Электролизер содержит корпус-катод 1, выполненный из полого металлического цилиндра с торцовыми крышками 2. Корпус 1 снабжен патрубками подачи 3 и отвода 4 обрабатываемой воды. Корпус 1 установлен

горизонтально с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси при помощи привода (на чертежах не показан). Внутри корпуса 1 размещена кассета из токопроводящего материала, соединенная с положительным источником тока. В полости кассеты расположен анодорастворимый материал 5 (например, стружечная загрузка), при этом кассета состоит из перфорированного барабана 7, обтянутого изолирующей диафрагмой 1, и закрыта торцовыми крышками 8. В корпусе 1 коаксиально установлена дополнительная перфорированная цилиндрическая перегородка 9 с диафрагмой 10, закрепленной на внутренней повер00 ND 00 00

о

хности перегородки при помощи, например, упругих вкладышей 11 (резина армированная стальной проволокой). Причем кассета закреплена с эксцентриситетом в полости перегородки 9 и диафрагма на по- верхности кассеты закреплена при помощи упругих манжет 12 (резина армированная стальной проволокой).

Вкладыши 11 и манжеты 12 смещены относительно друг друга и расстояние меж- ду вкладышами и между манжетами увеличивается по мере приближения к патрубку 4 отвода обрабатываемой воды.

В кольцевой полости 13, образованной корпусом 1 и дополнительной перегородкой 9, размещена металлическая стружка 14, например, амфотерного металла (алюминий- содержащая стружка и т.д.). При этом между перегородкой 9 и водопроницаемой поверхностью образуется1 кольцевая проточная камера 15. Дополнительная перфорированная перегородка 9 выполнена токопровод- ной и соединена через корпус 1 с отрицательным источником тока, (на чертежах не показан) проточная камера 15 соеди- нена с дополнительными камерами 16.

По периметру внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 и кассеты расположены кольцевые камеры 17, 18 с проницаемой поверхностью, например, сетка и т.п.

Полости этих камер соединены с эжектором 19, расположенном на патрубке 3 подачи обрабатываемой воды. Эжектор 19 соединен при помощи патрубка 20, снабженного вентилем 21, с атмосферой. Кольцевые камеры 17,18 соединены с эжектором 19 при помощи ряда трубок 22 и 23, соединенных с кольцевыми камерами по их периметру. На трубках установлены допол- нительные эжекторы 24 и 25. Они связаны при помощи патрубков 26 и 27, снабженных вентилями 28 и 29, с источником газа, например, атмосферой. Кольцевые камеры 17 и 18 смещены вдоль поверхностей элемен- тов 1 и 6, по периметру которых они расположены, к выходу из проточной камеры 15. Полость камеры 15 через дополнительную камеру 16 соединена с эжектором 30 при помощи ряда трубок 31, расположенных по периметру камеры 16. Трубки 31 снабжены вентилями 32. Эжектор 30, установлен на патрубке 4 отвода обработанной воды. Кассета крепится в полости дополнительной перегородки 9 при помощи армированных диэлектрических стержней 33.

Трубки 22 и 23 снабжены вентилями 34 и 35. В полости кассеты установлены лопатки 36.

Электролизер работает следующим образом, Сточная вода через патрубок 3, дополнительную камеру 16 поступает в проточную камеру 15 и, двигаясь вдоль аппарата в межэлектродном зазоре между дополнительной перегородкой 9 и перфорированным барабаном 6 кассеты, отводится через патрубок 4.

Через поры мембраны 7 анодная кассета с металлической стружечной загрузкой 5 заполняется сточной водой, а через поры мембраны 10 заполняется этой водой также полость 13с алюминийсодержащей загрузкой 14, При наложении электрического тока происходит растворение анододисперсной стружечной загрузки 5 с образованием ионов материала стружки, которые в результате концентрированной диффузии и напряженности электрического поля мигрируют в проточную камеру 15 через диафрагму 10. В полости анодной кассеты происходит образование окислительной среды с низким рН, что приводит к химической коррозии стружки вследствие повышения активной реакции католита. В катодной полости происходит подщелачивание обрабатываемой жидкости, что приводит к образованию гидроксидов металла, которые через диафрагму 10 мигрируют в проточную камеру 15. В проточной камере ионы коагулируют в крупные хлопья, которые сорбируют загрязнения, находящиеся в воде.

При этом, в процесс работы электролизера в кольцевых камерах 17,18 образуется высококонцентрированные растворы коагулянтов с соответственно окислительной средой с низким рН и образованием ионов материала стружки и щелочной средой с высоким рН с образованием гидроксидов металла,

Растворы коагулянтов собираются в нижней части кольцевых камер, так как их поверхность проницаемая. Образованные растворы коагулянтов раздельно поступают через трубки 22 и 23 в эжектор 19 за счет разрешения в его корпусе. Объемы растворов коагулянтов, поступающие таким образом в патрубок 3 для подачи обрабатываемой жидкости, регулируются при помощи вентилей 34 и 35, в зависимости от состава воды и примесей в ней. В процессе движения растворов в трубах 22 и 23 в них поступает воздух через патрубки 26, 27, соединенный с эжекторами 24 и 25, которые установлены на этих трубках. Это создает импульсный режим подачи коагулянтов в патрубок 3, способствующий рациональному расходу коагулянтов и улучшению их перемешивания с обрабатываемой жидкостью, т.к. при этом возникает

турбулентность в потоке поступающей воды через патрубок 3. Кроме того, воздух дополнительно поступает в воду через патрубок 20, соединенный с эжектором 19. Поступление этого воздуха регулируется при помощи вентиля 21.

Регулируемая подача воздуха и газов с электролизера в обрабатываемую воду способствует окислению Fe+ до Fe+ и позволяет получить коагулянт, содержащий железо различной степени окисления, что позволяет в зависимости от состава воды и примесей в ней добиться наиболее эффективного извлечения загрязняющих ингредиентов. Подсос воздуха и газов через эжекторы 19, 24 и 25 и подача их в корпус 1, позволяет разбавлять водород и кислород, образующийся в аппарате, до безопасной концентрации и осуществлять отбор полученной смеси из корпуса, когда точки соединения трубок 22 и 23 с кольцевыми камерами находятся в процессе вращения электролизера в верхней части корпуса 1. Насыщение при этом обрабатываемой воды газами способствует образованию флото- комплексов, что повышает эффективность флотации загрязнений при последующей обработке воды. Регулируемая подача газа, обладающего восстановительными свойствами (На) или окислительными (02), в обрабатываемую воду позволяет в зависимости от состава воды и примесей в ней добиться наиболее эффективного извлечения загрязняющих ингредиентов.

В результате того, что проточная камера 15 содержит гидравлические сопротивления, вкладыши 11 и манжеты 12, в ней, обеспечивается перемешивание обрабатываемой воды, при этом интенсивность этого процесса уменьшается по ходу движения воды, т.к. расстояние между элементами 11 и 12 увеличивается в этом направлении.

В проточной камере 15 обеспечивается постепенное снижение интенсивности перемешивания, осуществляется ввод основной массы катодных и анодных реакций на входе в нее и в зону (участок с мин расстояниями между упорами 12) интенсивного перемешивания воды, вследствие наличия там больших скоростей и, соответственно, пониженного гидродинамического давления, что обуславливает подсос в эту зону анолита и католита из непроточных камер.

Для предотвращения слишком интенсивного процесса перемешивания после смешения основной массы коагулянта с водой и обеспечения физико-химических процессов, которые определяют образование крупных быстроосаждающихся хлопьев гидроксидов металлов с извлекаемыми из

воды примесями, в направлении выхода воды из проточной камеры 15 уменьшаются гидравлические сопротивления.

Выполнение катода и анода в электролизере комбинированными из металлической стружки и токопроводной. нерастворимой цилиндрической перфорированной дополнительной перегородки 9, обеспечивает очистку воды от специфиче0 ских загрязнений, обладающих селективной способностью при их осаждении коагулированием (сорбцией), например, ионов тяжелых металлов, анионов сильных кислот, в том числе ионов шестивалентного

5 хрома, а также фторидионов. Это достигается тем, что в качестве растворимого анода используют железную стружку, продукты анодного растворения (Fe иге .которого эффективно восстанавливают шестивалент0 ный хром и собирают ионы тяжелых металлов, а продукты электрохимических реакций, протекающих на нерастворимом катоде (ОН) и химического растворения алюминиевой стружки (А 0 позволяет оса5 дить и сорбировать, например, фтор, что не имеет места при применении известных устройств. Кроме того, в предлагаемом изобретении получение алюминиесодержа- щего реагента осуществляется без дополни0 тельных затрат электроэнергии, то есть за счет продуктов электродных реакций нерастворимого перфорированного катода, обеспечивающих химическое растворение алюминиевой стружки.

5 Размещение нерастворимой токопроводной перфорированной цилиндрической дополнительной перегородки 9 комбинированного катода симметрично диафрагме 10, прилегающей к ней с внутренней стороны,

0 позволяет повысить эффективность очистки сточных вод, содержащих легкодиспергируемые примеси, ионы тяжелых металлов, фтор и другие вещества. Это обеспечивается тем, что электродные реакции, протекающие

5 на перфорированной дополнительной перегородке 9 комбинированного катода с выделением гидроксидов (ОН) и газообразного водорода (Н2), способствует интенсивному химическому растворению алюминиевой

0 стружки в щелочной среде с образованием алюминатов (АЮ, подводу последних в зону смещения реагента с обрабатываемой водой по всему периметру проточной камеры в процессе вращения корпуса.

5 Смещение кольцевых камер 17 и 18 вдоль продольной оси корпуса к выходу из проточной камеры 15 способствует получению более высокой концентрации растворов в них. Так как к выходу из проточной камеры 15 подходит насыщенная коагулянтом вода, за интенсивность перемешивания ее уменьшается, скорости движения понижается, соответственно, понижение гидродинамического давления там незначительное, что снижает интенсивность дополнительного подсоса в этой зоне анолита в приточную камеру.

Обработанная вода через дополнительную камеру 16 и патрубок 4 отводится из аппарата на дальнейшую очистку. В процессе вращения электролизера через трубки 31, когда точка их соединения с дополнительной камерой 16 находится сверху, осуществляется отвод смеси газов из полости проточной камеры 15 и части газов, образованных при электрохимических реакциях в полости 13 и кассете и попавших в проточную камеру 15 через проницаемые диафрагмы 7,10. Кроме того, в камере 15 выделяется смесь газа из поступающей на обработку воды, насыщенной этой смесью при помощи эжекторов 19, 24, 25 и трубок 20, 23, 24, При отводе смеси газов из электролизера, осуществляется регенерация диафрагмы 1 и 10 в процессе работы аппарата. Для этого при помощи вентилей 32 уменьшаем объем отбора смеси газов с полости проточной камеры 15. В камере появляется избыточное давление газов, вектор движения которых направлен через поры диафрагм 1 и 10 в полость 13 и полость кассеты, при этом из них осуществляется отбор газов через трубки 22, 23 и эжектор 19. Причем осуществляется подсос смеси газа из проточной камеры 15 через опоры диафрагм 1 и 10. Происходит наложение векторов направления движения этих процессов, что интенсифицирует регенерацию пор диафрагм от продуктов электрохимических реакций. Кроме того, векторы направления движения газов направлены в противоположное направление, чем вектор направления движения растворов при их диффузии через поры этих диафрагм, когда часть поверхности диафрагм находится в контакте с обрабатываемой водой и растворами коагулянтов, Это тоже способствует интенсификации выноса продуктов реакции из пор диафрагм и обеспечивает в последствии беспрепятственное движение через них коагулянтов в обрабатываемую воду, что повышает эффективность ее обработки. Возможен другой вариант регенерации диафрагм 7, 10. При помощи вентилей 22 и 23 уменьшается отбор объема газа из полости 13 и кассеты, а отбор объема газа с проточной камеры 15 увеличивается до максимума.

При этом газы через поры диафрагм 7, 10 будут двигаться в камеру 15 и отводится через трубки 31 и эжектор 32 в патрубок 4

для отвода обработанной воды. Варианты регенерации диафрагм 7, 10 выбираются в процессе эксплуатации в зависимости от состава обрабатываемой воды и загрязнений

в ней.

Выполнение по периметру внутренней поверхности корпуса электролизера и кассеты кольцевых камер с проницаемой поверхностью обеспечивает наличие в них

0 коагулянтов одной концентрации и обеспечивает их эффективный отбор, т.к. уровень коагулянтов в этих камерах будет постоянным при вращении аппарата. Кроме того, проницаемость поверхности кольцевых ка5 мер 17 и 18 обеспечивает поступление коагулянтов из зазоров между стружкой 5 и 14 в полости этих камер и интенсивный беспрепятственный отвод концентрированного коагулянта в необходимых дозах в патрубок 3

0 для повышения интенсивности обработки воды. При работе и регенерации диафрагм 7, 10 проницаемость поверхности кольцевых камер позволяет отбирать газы из полости 13 и кассеты.

5Соединение кольцевых камер 17, 18 с

эжектором 19 при помощи ряда трубок 22 и 23, установленных по периметру этих камер, обеспечивает постоянный забор коагулянтов и газов из них при вращении корпуса

0 электролизера, что способствует непрерывной подаче в патрубок 3 для интенсификации процесса обработки воды.

Соединение проточной камеры 15 с эжектором 32 на патрубке 4 при помощи

5 ряда трубок 31, соединенных с дополнительной камерой 16 по ее периметру способствует непрерывному отводу смеси газов из полости проточной камеры 15, что обеспечивает дополнительное насыщение

0 обрабатываемой воды в патрубке 4, создавая условия для последующей флотации загрязнений в обрабатываемой воде. Кроме того, это создает благоприятные условия для эффективной регенерации ди5 афрагмы 7, 10 в процессе работы электролизера, а также способствует отводу смеси газов содержащей (Н2 и Оа ), повышая, таким образом, безопасность эксплуатации электролизера. Своевременный отвод газов

0 с проточной камеры 15 исключает увеличение его объема в полости этой камеры, что привело бы к уменьшению глубины обрабатываемой воды в камере 15 и превышению оптимальных скоростей ее движения и вре5 мени нахождения там и снижению, при этом, эффективности обработки воды.

Жесткое закрепление кассеты с эксцентриситетом в полости дополнительной перегородки 9 обеспечивает надежное соединение кольцевой камеры 18 статичной

кассеты с эжектором 19, расположенном на патрубке 3 подачи обрабатываемой воды. Кроме того, изменение высоты зазора между кассетой и цилиндрической поверхностью дополнительной перегородки обеспечивает различные напряженности электрического поля на эффективном расстоянии от дополнительной перегородки, в зависимости от объема жидкости в аппарате, обеспечивает изменение условий взаимодействий частиц при их коагуляции (флокуляции). В объеме жидкости между перегородкой 9 и поверхности кассеты изме- няются градиенты напряженности, обеспечивающие различный заряд частиц дисперсной фазы и, и соответственно, величину пондеромоторной силы, приводящей к максимальному количеству столкновений частиц за счет различной скорости их движения, что способствует повышению эффективностью процессов коагуляции и флокуляции частиц. Кроме того, жесткое закрепление кассеты повышает надежность работы аппарата, снижает количество отказов при его эксплуатации и повышает, соответственно, его производительность.

Весь процесс обработки жидкости происходит при постоянном вращении электролизера. Стружка, перемещаясь внутри кассеты и в полости 14, выполняет роль абразива и очищает свою поверхность от пассивирующей пленки, что приводит к ее активной коррозии.

Для создания свободного движения частиц стружки электролизер заполняется на 3/4 объема. При снижении количества стружки в кассете и полости 13, они наполняются новой порцией соответствующей стружки. Лопатки 36 в полости кассеты способствуют более интенсивному перемешиванию там стружки, что интенсифицирует образование коагулянта в процессе работы аппарата.

Процесс обработки воды в электролизере может осуществляться под контролем и управлением, например, блока числового программного управления (ЧПУ) с исполнительными приводами и датчиками (на чертежах не показано).

Таким образом, данный электролизер повышает производительность и снижение расхода энергии за счет подачи концентрированного коагулянта на входе в электролизер, обеспечения регенерации диафрагм в процессе обработки воды, снижения концентрации выделяемого водорода и кислорода при электрохимических реакциях в электролизере, разбавлением их другими газами и отвода образованной смеси из его полости, интенсификации регулируемого процесса восстановления железа газами, в зависимости от состава обрабатываемой воды и примесей в ней, дополнительного насыщения этой воды газами.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1.Электролизер для очистки воды, содержащий корпус, установленный с возможностью вращения и соединенный с отрицательным полюсом источника тока,

перфорированную цилиндрическую кассету, расположенную в корпусе и заполненную стружкой, на наружной поверхности кассеты размещена диафрагма, кассета выполнена из токопроводящего материала и

соединена с положительным полюсом источника тока, причем в корпусе коаксиально установлена дополнительная перфорированная перегородка с диафрагмой и кассета расположена в ее полости, а в полости, образованной корпусом и дополнительной перегородкой, размещена металлическая стружка, дополнительная перегородка образует проточную камеру, соединенную с патрубками подачи и отвода обрабатываемой воды, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и снижения расхода электроэнергии на очистку, по периметру внутренней поверхности корпуса и кассеты расположены кольцевые

перфорированные камеры, полости которых соединены с эжектором, установленным на патрубке подачи обрабатываемой воды, при этом кассета жестко закреплена вдоль оси дополнительной перегородки с эксцентриситетом.

2.Электролизер поп. 1,отличающий с я тем, что кольцевые камеры соединены с эжектором при помощи ряда трубок, размещенных по периметру камер, а на

трубках установлены дополнительные эжекторы, связанные с источником газа.

3.Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что кольцевые камеры смещены вдоль продольной оси корпуса к выходу

из проточной камеры.

4.Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что полость проточной камеры соединена через дополнительную камеру с рядом трубок, соединенных с дополнительной камерой по ее периметру и эжектором, установленным на патрубке отвода обрабатываемой воды.

uJLj

1321351315 П18 11 И

3 742 lj « -Ч V

//г.7

3-0

53 8

32

Сущность изобретения: электролизер содержит корпус-катод, выполненный из полого металлического цилиндра с торцовыми крышками, к которым подсоединены патрубки подачи и отвода обрабатываемой воды. Корпус установлен горизонтально, с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. Внутри корпуса размещена кассета из токопроводящего материала и соединена с положительным источником тока. В полости кассеты расположена анодо- растворимая засыпка, Кассета состоит из перфорированного барабана, обтянутого изолирующей диафрагмой, и закрыта торцовыми крышками, В корпусе коаксиально установлена дополнительная перфорированная цилиндрическая перегородка с диафрагмой, закрепленной на внутренней поверхности перегородки. В полости, образованной корпусом и дополнительной перегородкой, размещена металлическая стружка. Дополнительная перегородка выполнена токопроводной и соединена через корпус с отрицательным источником тока. По периметру внутренней цилиндрической поверхности корпуса и кассеты расположены кольцевые камеры и с проницаемой поверхностью. Полости этих камер соединены при помощи ряда трубок с эжектором, расположенном на патрубке. На трубках установлены дополнительные эжекторы. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. сл С

/I-/I

/

/5

/4

7

;r