Электролизер для обработки водных растворов

Электролизер для обработки водных растворов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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 10<SP POS="POST">3</SP>≤S<SB POS="POST">внешн.</SB>/S<SB POS="POST">внутр.</SB> *9810<SP POS="POST">7</SP>. 2 ТАбл., 1 ил.

„.,ЯО„„М97344 (S1)5 С 02 F 1/46 списочник изоврктЯНИЯ

Н А ВТОРСНОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИ ГЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРИТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4170105/31-26 (22) 30. 12.86 (46) 07.10.90. Бюл, К 37 (71) Казанский химико-технологический институт им.С.M.Êèðîâà (72) А.М.Фомин, А.Ф.Дресвянников и Б.С.фридман (53) 628.543 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 929585, кл. С 02 F 1/46, 1970. (54) ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ОБРАБОТКИ

ВОДНЫХ РАСТВОРОВ (57) Изобретение относится к области

Изобретение относится к Прикладной электрохимии, в частности к электролизерам для обработки водных растворов, и может быть использовано в гальваническом производстве и других:областях, где прйменяются растворы с повышенным содержанием ионов водорода или гидроксила.

Цель изобретения - повышение 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 4, входные клеммы 5 электродов, впускной патрубок 6, выпускной патрубок 7.

Устройство работает следующим об.разом, Водный раствор (жидкость) через впускной патрубок 6 поступает в каме2 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 и гидроксида. С целью повышения эффективнос-. ти работы электролизера электроды расположены коаксиально и выполнены так, что .площади внешнего и внутреннего электродов связаны соотношением

,Оз ------ (!О . 1 ил,, 2 табл.

S вием, 7 вН т. ру 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 4 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 значитель

1597344 но больше таковой для внешнего электрода (большего по площади)..Это создает 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 после- 10 дующее его конвективное перемещение но 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 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 поверх- " ности 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

40 вплоть до поверхностного слоя жид. кости на внешнем электроде, При прокачивании через электролизер исходного раствора на выходе устройства получим раствор, обогащен45 ный ионами водорода или гидроксила,. генерируемыми на внутреннем электроде. Это обусловлено тем, что раствор, обогащенный продуктами реакции на внутреннем электроде и занимающий практически весь объем электролизера, 50 будет находиться в турбулентном движении и легко удаляется, а раствор, обогащенный продуктами реакции на внешйем электроде, образует ламинар55 ный слой, который имеет крайне малую скорость движения (практически недвижим и остается у поверхности и в неровностях внешнего электрода).

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 10З.

Полярность внешнего электрода

"+", внутреннего электрода

Исходный раствор содержал МадВО с концентрацией 0,2 г л; рН 6,8;

Е о„ > = +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, прбтекающих 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 остались 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 окисно"рутениевой сетки, высота его 10 см.

Соотношение площадей внешнего и внутреннего электродов составляет 10

Ф

Кроме того, были изготовлены другие электроды с соотношением площадей

1О; 100; 500; 1000; 1О ; 10 ; 1О ;

5 10

Испытания проводят с использованием выпрямителей ВСА-4К, рН-метра ЭВ-74, В качестве рабочей жидкости используют водный раствор сульфата натрия с концентрацией 0,2-1 г/л, а также водопроводную воду.

97344

Та бли ца 1

5 15 рН исходного раствора сульфата натрия 6,8, окислительно-восстановительный потенциал +200 мВ, температура раствора - 20 С, Напряжение на клеммах предлагаемого электролизера составляло 240 В.

Средний ток достигал 0,8 А. Для сопоставления с предлагаемым электролизером использовали также электролизер, состоящий из камеры с электродами, пространства которых разделены диафрагмой. Водный раствор подают в зоны основного и вспомогательного электродов через входные патрубкки, причем в пространство основного электрода подается 80-854 всей поступающей в электролизер жидкости. Обрабатываемая в пространстве основного электрода жидкость через выходной патрубок поступает к потребителю.

Жидкость из пространства вспомогательного электрода через выходной

Ъ патрубок сливается в канализацию.

Напряжение на клеммах электролизера, взятого в качестве известного устройства составляло 110 В.

Средний ток достигал 3 А. Оба электролизера имели одинаковый рабочий объем, равный 0,5 л (для электролизера 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 увелиэлектрода как в случае электролизера с диафрагмой. Кроме этого, может быть ,достигнуто снижение затрат электроэнергии за счет снижения расхода жидкости, а также за счет отсутствия по1 терь 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 Этом случае составляет в среднем 30-40 ч. Срок службы электролизера данной конструкции возрастает на 2-3 порядка и определяется только материалом электродов (т.е. скоростью

20 их разрушения}, Формула и з о б р е т е н и я

Электролизер для обработки водных

25 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 S»< и внутреннего Sq„ электродов удовлетворяет условию

1Оз C " ш а 10, вн„ тр. рН

ОкислительРасстояние от

Опыт но-восстановительный внутреннего потенциал, мВ электрода, мм

-280

-280

-280

-280 -280

-280

-275

-210

11,25

11,25

11,25

11,25 11,25

11,25

11,24

10,00 чение камеры электролизера до больших размеров, что сделает его изготовление нецелесообразным или невозможным (табл. 2). Значения рН окислительновосстановительного потенциала, которые незначительно отличаются от тако- 45 вых у необработанного раствора, показывают, что электролизер перестает работать из-за засорения диафрагмы (табл. 2) .

Таким образом, создается возможность 5р получать жидкость, характеризуемую определенным значением водородного показателя рН, во всем объеме элек- тролизера, что позволит исключить расход жидкости, связанный. с ее пода- 55 чей в пространство вспомогательного

1 5

2 10

3 15

4 20

5 25 б 30

7 35

37

1597344

I !

1 ! (I

3

1

1

1

1

I

I

1.

1

I

I

1

1

1 (4 I

П) 3

S I

3 (I

t0 1

tt) 1

l — 1

I

1

1

I 3

I СО 3

1 I

I " 1 ц ш

Г) 1 1 х +

v= о а 1

1 1

1 3 — т— э г)

I

0 а х э с () »S

Б х

Z э! 1

«О

< X 1

I I

1 1 ш

< I

1 3

3 I

1 1 х

0. i

I 1

I I

1

1

I

«; ()

1 ° ! х и о

I

I, X

1 (1 Щ

El.

3 !

<

s c

I tX S».

0«.х ! х а

ИЭ

0 сс > 5 с с л ,х и(о

»«Ф

Э О) и и) а m з

>х

S х

X (3t

Yi x

s () э

0 д 0

Ф «Э(0

meso э s э

Б )- х

1 .О Э

fIt tC I- Ñ э е О и

3 Э(О О) (о аmt«»

orna.o а

О)

Я

S с

0 о.

Iх э с

>х

X э

СО

П)

Ц с«

ttt

1

3

I

1

1

1

l

3

3

1

1!

1

1

1.

I — I

1 I

I .I ОР

Э<

Э< ( э< л

< Х<

П<

1 гЛ<СЛ

1 3 а а а э

s c

СХ S» 3

o ( х a ° и э

-1

I .о I

Э f« < 1 ехо

ЭЭ(0 х

IО O. В 3

О m О.

I !

I 1

I I

I I

1 .16 Р I „»

I 1 Э 1 с< i о 1 с(с»

1 !! I

I »»

Э (О ЭХ0

1 3 ЭIO 7 I (о а Ф

I О Ф а 3

3 I

3 I

1 I CO I

1: I X 1 (»Х I I

I

1 Z (Х I LLI I х 0 « э а

<.а (ы

Л, О) с 1 а со Ф

t 3 I

1 1 CO I

1 — 1 X i

1 1 I

1 1 1 ш

is o

s o.

Х II 3 Y 1 1

I О) ID 3 I

<= со Ф< а<

1 I

I 1 1

1 I о

I o ) сг

» < " 1

1 1 (ю I

1 3. о 1

1 CYI «:7 I

1 I 1 сч сч г 3.4 -и -О а с мммммм аа (4 с» о о î о о о о о а с» а о а о а о

— — Сч СЧ М М-О.

О О аО О О О О О

СО (»»СО МСО СО М СЧ М

О О L«» Ч» а- м СЧ г4

+++++++++ аалo»

СО (чО СЧ -С м м м м м -с а О (о

О О O О О LO О О LA со л Г м О а сч Г м

СЧСЧС 4(ЧСЧ I <

I 1 I I 1 1 I

LAа а с С 3 С (а - м Ч»

С» O»CO t» t ооооооооо

CO CO CO CO CO CO CO CO CO

-т --О- а со м м м сч

Ч» О О О Л О О О О

aооoooooo ооооорооо

ОаО(4аОООО о» сг) t (»» co с» со а м О LO С4 0 .О L(» М СЧ СЧ

+++++++++

ГС- с(О- Г

О аоа мммммма оо

OOCONOOOOO г со г <»ласч г м

СЧ С С4 с(с4 СЧ I I ! I I 1 I 3 I а -с

С С((Ч СЧ Со O O

OCO I»Л с» o o o a o о о о

ООООООООО г< г< ооооооооо сч г ъсг а о лсо сп

I

1

1

I

i

1

I

1

1

1

1

I

I

1

1

1

1

1

i

1

I

1

1

l

1

1

I

1

I

1

I

I

1

1

1

1 э <

m o

Хо 3

luo 1

Х 1

1

I

I

1

I

1

I

I

1

1

I

1

1 ! (I

I

I

I

I

1

1

I

1

1

I

1

1

1

1 !

1597344

Составитель Т.Барабаш

Редактор Л.Гратилло Техред И.Ходанич Корректор Т.Малец

Заказ 3030 Тираж 801 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, 8-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101