Устройство для электрохимической обработки воды

Устройство для электрохимической обработки воды

Реферат

 

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано для электрообработки воды. Устройство для электрохимической воды содержит источник обрабатываемой воды, регуляторы расхода воды, установленные соответственно на линиях подачи воды в анодную и катодную камеры и на выходе из анодной камеры электрохимического реактора. Устройство также содержит приспособление для дозирования реагента, поступающего из емкости. Основным узлом установки является электролитический элемент модульного типа ПЭМ. Элемент ПЭМ представляет собой электролизер с коаксиально расположенным внешним трубчатым анодом 8, внутренним стержневым катодом 9 и трубчатой керамической диафрагмой 10 между электродами. Электроды и диафрагма жестко и герметично закреплены при помощи уплотнительных колец 11 и 12 и торцевых втулок 13. На внешней поверхности элемента ПЭМ расположены входы 14, 15 и выходы 16, 17 электродных камер. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в процессах, связанных с электрохимическим регулированием кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности воды, в частности при отмывке электрохимически обработанной водой фармацевтической посуды, что позволяет исключить операции механического удаления загрязнений, уменьшить в 5-7 раз расход синтетических моющих средств, сократить вдвое время обработки посуды и одновременно повысить качество очистки поверхности посуды от загрязнений всех типов.

Для отмывки используют слабощелочной католит (катодно электрохимически обработанная вода) и слабокислотный анолит (вода, подвергнутая анодной электрохимической обработке).

Католит и анолит функционально представляют собой моющий и дезинфицирующий растворы.

В прикладной электрохимии используются электролизеры различных конструкций, обеспечивающие обработку воды.

Известно устройство для получения католита и анолита из подсоленной воды, использующихся соответственно в качестве моющего и обеззараживающего растворов в медицине [1] Устройство включает в себя диафрагменный проточный электролизер с плоскими электродами и блок питания, совмещенный с блоком управления. Плоские электродные камеры снижают КПД электролизера, так как в них образуются застойные зоны и области преимущественного протока воды. Большая протекаемость диафрагмы приводит к смешению продуктов анодных и катодных электрохимических реакций. Материал диафрагмы и соотношение размеров электродных камер не позволяют создать самоорганизующие структуры течения в потоке воды, протекающей у электродов, что не позволяет уменьшить электролитическое сопротивление между электродами.

Высокая концентрация исходного солевого раствора не позволяет продуцировать в большом количестве суперактивные соединения, препятствует разрыхлению структуры воды, что снижает эффективность растворов. Происходит загрязнение окружающей среды отработанными растворами с большой концентрацией соли и устойчивыми продуктами электролиза.

При периодической смене полярности электродов (при переключении режимов "анолит", "католит") происходит восстановление рутения на электродах ОРТА, после чего он, растворяясь, попадает в раствор.

Невысокая химическая стойкость керамической диафрагмы приводит к поступлению соединений кремния в католит.

Характерна небольшая степень электрохимического превращения, например, из 9 г хлористого натрия, растворенного в 1 л, получается в обычном режиме работы 0,6 г соединений активного хлора.

Еще одним недостатком известной конструкции является сложность и большие трудозатраты при сборке и ремонте электролизера с плоскими электродами, так как необходимо осуществлять герметизацию комплекта электродов.

Известно устройство для электролиза воды [2] Устройство состоит из цилиндрического электролизера с коаксиально расположенными электродами и диафрагмой между ними, разделяющей внутреннее пространство на катодную и анодную камеры. Каждая камера имеет отдельный вход в нижней и отдельный выход в верхней частях электролизера, сообщающиеся с подводящими и отводящими гидравлическими линиями для протока воды под давлением. В состав устройства входит источник постоянного тока, соединенный с электродами электролизера через коммутационный узел, обеспечивающий возможность перемены полярности электродов для удаления катодных отложений. В процессе эксплуатации данного устройства возможно получение электрохимически обработанной воды с бактерицидными свойствами. Данное устройство является наиболее близким техническим решением и выбрано в качестве прототипа.

В описанном устройстве велики энергопотери при обработке воды с изменяющейся во времени минерализацией. Чем больше минерализация воды, тем большее удельное количество электричества требуется для ее обработки, т.е. тем больше необходимая сила тока при постоянном объемном расходе воды. При уменьшении минерализации воды необходимо высокое напряжение для того, чтобы достичь требуемого уровня удельных затрат количества электричества без снижения объемного расхода воды. Чем шире диапазон возможных изменений минерализации воды, тем выше должна быть электрическая мощность источника постоянного тока, поскольку она определяется произведением максимально возможной силы тока на максимально возможное напряжение. Практически отсутствуют случаи, когда мощность используется полезно полностью.

При обработке воды со значительной минерализацией протекает большой ток при малом напряжении, при обработке воды с малой минерализацией малый ток при большом напряжении. Потребляемая электролизером мощность в несколько раз (3-10) меньше установленной мощности источника тока, т.е. устройство для электролиза воды имеет низкий КПД. Кроме того, устройство не обеспечивает стабильность характеристик получаемых растворов при минерализации исходной воды.

Цель изобретения снижение энергозатрат на процесс обработки воды.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем цилиндрический и стержневой электроды, вертикально установленные в диэлектрических втулках, и керамическую диафрагму, выполненную ультрафильтрационной из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия, диафрагма установлена таким образом, что геометрические размеры устройства удовлетворяют соотношениям и 0,7-0,8 где K межэлектродное расстояние, мм; L длина рабочей части электродной камеры, мм; D_s внутренний диаметр цилиндрического электрода, мм; D_в диаметр средней части стержневого электрода, мм; S_s,S_в площади поперечного сечения камер соответственно цилиндрического и стержневого электродов, м².

Подвод и отвод воды в камеру стержневого электрода осуществляется через каналы, выполненные соответственно в нижней и верхней частях диэлектрических втулок. В нижней и верхней частях цилиндрического электрода выполнены отверстия, соединенные соответственно с линиями подачи и отвода обрабатываемой воды, а диаметр концевых частей стержневого электрода на уровне отверстий цилиндрического электрода составляет 0,75 диаметра его средней части.

Устройство содержит регуляторы расходы воды на линии подачи обрабатываемой воды и на линии отвода воды из камеры цилиндрического электрода.

Устройство также может содержать прииспособление для дозирования реагента, выполненное, например, в виде водоструйного насоса и установленное на линии подачи воды.

Выполнение диафрагмы из керамики на основе оксида циркония с добавкой алюминия и иттрия придает высокую устойчивость к действию концентрированных и разбавленных водных растворов кислот, щелочей, окислителей, восстановителей, агрессивных газов хлора, озона и обеспечивает срок службы более 15000 ч. Диафрагма является ультрафильтрационной и имеет протекаемость 0,5-2,0 мл/м х ч х Па.

Диафрагма, установленная между электродами с открытым (без сепаратора) зазором для протока воды, не изменяющая размеров и формы при перепадах давления, гидрофильная, с низким электрическим и высоким фильтрационным сопротивлением (за счет большого числа мелких открытых пор), тонкая, позволяет эффективно реализовать основные условия электрохимической униполярной (катодной и анодной) обработки воды, обеспечивающие наивысшую степень ее метастабильности. При такой обработке все продукты электрохимических реакций, включая высокозаряженные метастабильные частицы, полностью поступают в протекающую пресную воду и насыщают ее, равномерно распределяясь в объеме. Эти частицы, так же как стабильные ионы, участвуют в переносе заряда, но, достигая гидрофильной диафрагмы, адсорбируются на ее поверхности. Они почти не проникают вглубь, так как энергия взаимодействия с гидрофильной поверхностью материала диафрагмы выше энергии активации электромиграционного переноса, и поэтому не подвергаются взаимной нейтрализации. Образуются два заряженных слоя на поверхности диафрагмы, разность потенциалов между которыми достигает 2,5 В. За счет заряженных поверхностных ионных слоев напряженность электрического поля в диафрагме увеличивается на 30-40 В/см, что способствует повышению подвижности ионов в порах и снижает электрическое сопротивление. Снижению электрического сопротивления в межэлектродном пространстиве способствует также появление самоорганизующихся дисситивных структур течения, обеспечивающих ускоренный транспорт заряженных частиц в электродной камере. Такие структуры возникают в соответствии с единой теорией фундаментального поля И. Л.Горловина в пространственно разделенных областях потери и захвата электрона при соответствии характеристических размеров системы (ширина и диаметр электродных камер, толщины диафрагмы) и параметров ее работы (минерализация воды, градиент концентраций, скоростей течения), величины подводимой энергии.

Гидрофильная керамическая диафрагма, кроме указанных, имеет еще несколько положительных свойств. Она нечувствительна к загрязнению воды органическими веществами, катионами тяжелых металлов. Легко и многократно может быть очищена от катодных отложений промывкой кислотой. Это дает электрохимическому реактору возможность долго и стабильно работать при минимальном количестве корректировок режима и операций технического обслуживания, которые не связаны с ее разбором, и так как диафрагма является жесткой, то облегчается ее установка и демонтаж, а также обеспечивается возможность ее работы при изменяющемся давлении. Все это дает электрохимическому реактору возможность долго и стабильно работать при минимальном количестве корректировок режима и операцией технического обслуживания, которые не связаны с его разборкой.

Сочетание указаных размеров электродов и диафрагмы обеспечивает равномерное распределение потока воды по поверхности электродов и одинаковую скорость течения в любом сечении электродной камеры. В кольцевых вертикальных гладкостенных электродных камерах отсутствуют условия для образования застойных зон и зон медленного протока. Такие зоны отрицательно влияют на характеристики любого электролитического реактора, а именно электрохимические процессы провоцируют их образование. Например, при протекании воды в системе параллельных плоских электродов наблюдаются разные по толщине слои воды, неоднородности течения,наличие участков с различными электрохимическими свойствами и т.д. Эти зоны имеют способность самоподдерживаться и развиваться. В них накапливаются продукты электрохимических реакций, формируя осадки различной плотности. Проводимость этих зон выше, чем в потоке, поэтому значительная часть тока расходуется на разогрев воды в застойных зонах и локальный синтез продуктов электролиза, но не электрохимическое преобразование протекающей воды. Признаком существования застойных зон или областей замедленного течения является снижение тока при увеличении скорости течения воды.

Ширина электродных камер подобрана таким образом, чтобы соответствовать диаметру обращения части воды в микротороидальных потоках. Это препятствует появлению областей замедленного течения даже при малых объемных расходах. Ширина электродных камер удовлетворяет также двум другим требованиям: расстояние между поверхностью электрода и диафрагмой не должно быть большим, чтобы не увеличивать омическое сопротивление между электродами, однако оно не должно быть слишком малым, чтобы не вызывать капиллярных и расклинивающих эффектов, препятствующих свободному течению воды с газовыми пузырьками. Длина электродных камер также определена с учетом реальных условий работы реактора.

Электродные камеры не должны быть слишком длинными, чтобы резко не возрастало газонаполнение воды по мере ее приближения к выходу из элемента, но их длина должна обеспечивать достаточную степень электрохимического преобразования воды при однократном протоке. Типичным признаком повышения газонаполнения является увеличение силы тока при возрастании скорости течения воды. Указанное сочетание размеров ширины и длины электродных камер позволяет добиваться хорошего контакта с электродом всех микрообъемов воды. Пузырьки газов не затрудняют свободное течение воды в электродных камерах при конвективных режимах циркуляции, не создают застойных зон за счет капиллярного расклинивания, не увеличивают электрическое сопротивление в межэлектродном пространстве, т.е. в электродной камере не происходит их коалесценция, а значительная скорость удаления обеспечивает малое газонасыщение воды. Весь объем воды в камере находится под действием электрического поля значительной неоднородности, что порождает возникновение микроциркуляционных упорядоченных потоков с ускоренным массообменом в зоне двойного электрического слоя на поверхности электрода, где напряженность электричекого поля достигает нескольких миллионов вольт на сантиметр.

Недостатком известного решения являются высокие энергозатраты. Снижение энергозатрат по предложенному решению достигается за счет определенных соотношений размеров электролитической ячейки. Как показывают эксперименты, при соблюдении данных соотношений, указанных в формуле, при прочих равных условиях удельный расход энергии при обработке водопроводной воды составляет 0,75-1,25 кВт ч/м³, в то время как при несоблюдении этих соотношений расход энергии составляет около 3,0 кВт ч/м³, как в известном решении. При этом достигается и дополнительный эффект за счет остальных конструктивных решений, улучшение гидравлического режима в межэлектродном пространстве, оптимизация процесса за счет использования предложенной диафрагмы, а также снабжения устройства узлами, которые обеспечивают улучшение гидродинамики устройства.

Электроды реактора изготовлены из титана. В зависимости от условий эксплуатации, которые определяются назначением реактора, они подвергаются соответствующей модификации поверхности. Наиболее типичные материалы электродных покрытий, используемых в данных реакторах, приведены в табл.1.

Платиновые и платиново-иридиевые покрытия являют стойкими как при анодной, так и при катодной поляризации, поэтому переключение ячейки с режима катодной обработки воды на анодную достигается изменением полярности электродов.

Если в качестве анодного покрытия используются диоксид рутения или диоксид марганца, то титановый катод полируют или наносят пирографитовое покрытие и полярность электродов во все время эксплуатации не изменяют. Переход с катодного режима на анодный в этом случае производят путем гидравлических переключений. Покрытие пирографитом и полировка титанового электрода снижают скорость образования отложений не только на поверхности электрода, но и на диафрагме.

Выполнение стержневого электрода переменного сечения таким образом, что диаметр его концевых частей составляет 0,75 диаметра его средней части, и размещение его в сборке таким образом, что средняя его часть, имеющая больший диаметр, находится между уровнями, ограниченными отверстиями в цилиндрическом электроде, позволяет снизить износ электрода, так как в местах выполнения отверстий изменяется конфигурация электрического поля между электродами, что может привести к созданию локальных повышений напряжения и неравномерному износу электродов. Также увеличение межэлектродного расстояния в этом месте позволяет обеспечить стабильность работы диафрагмы. Кроме того, снижается материалоемкость электрода. Выполнение диаметра концевых частей стержневого электрода меньше чем 0,75 диаметра его средней части нецелесообразно, так как приводит к образованию застойных зон. Выполнение их больше 0,75 диаметра не обеспечивает заданную степень ресурса работы электрода.

Выполнение в нижней и верхней частях цилиндрического (трубчатого) электрода отверстий, соединенных соответственно с линиями подачи и отвода обрабатываемой воды, приводит к созданию оптимальных гидродинамических условий в камере цилиндрического электрода. Кроме того, это приводит к упрощению конструкции в целом, так как снижается сложность изготовления и монтажа диэлекрических втулок, упрощается регулирование скорости протока воды через камеру цилиндрического электрода.

Снабжение устройства регуляторами расхода позволяет обеспечить долговечность работы устройства на минерализованной воде и, кроме того, регулировать качество получаемых растворов. Так, например, если регулятор расхода установлен на линии подвода воды в одну из электродных камер, то при замедленном протоке воды в этой камере увеличивается концентрация продуктов электролиза, что в свою очередь приводит к уменьшению сопротивления между электродами, уменьшению расхода электроэнергии и переводу устройства в экономичный режим работы, обеспечивающий долговечность. Регулируя величину расхода на входе одной электродной камеры, можно изменять физико-химические параметры воды, протекающей в другой камере, за счет перераспределения вида и концентрации ионов переносчиков заряда.

Снабжение устройства приспособлением для дозирования реагентов расширяет функциональные возможности устройства и позволяет расширить спектр получаемых продуктов.

На фиг.1 представлено устройство для электрохимической обработки воды.

Устройство содержит источник 1 обрабатываемой воды, регуляторы расхода 2, 3, 4, установленные соответственно на линиях подачи воды в анодную и катодную камеры и на выходе из анодной камеры электрохимического реактора 5. Устройство также содержит приспособление 6 для дозирования реагента, поступающего из емкости 7.

Основным узлом установки для электрохимической обработки воды является проточный электролитический элемент модульного типа, именуемый далее ПЭМ.

На фиг.2 представлен ПЭМ.

Элемент ПЭМ представляет собой миниатюрный диафрагменный электролизер с коаксиальным расположением внешнего цилиндрического анода 8, внутреннего стержневого катода 9 и трубчатой керамической диафрагмы 10 между электродами. Электроды и диафрагма жестко и герметично взаимно закреплены при помощи уплотнительных колец 11, 12 и торцевых втулок 13 из диэлектрического материала, являющихся продолжением внешней цилинрической поверхности элемента ПЭМ. На внешней поверхности элемента ПЭМ расположены входы 14, 15 и выходы 16, 17 электродных камер. Они выполнены в виде отверстий в торцевых втулках 13 и цилиндрическом электроде 8 у его концов. Сборка и герметизация электролитического элемента производится при стягивании втулок 13 к торцам электрода 8 гайками 18 и шайбами 19 на концах электрода 9. Зазоры между электродами 8 и 9 и диафрагмой 10 равны 1,2 мм. Расстояние между электродами 8 и 9 равно 3 мм, толщина ультрафильтрационной диафрагмы 10 находится в пределах 0,58-0,62 мм. Диаметр средней части внутреннего стержневого электрода равен 8 мм, а его концевых частей 6 мм.

Длина рабочей части диафрагмы составляет 200 мм. Рабочая поверхность диафрагмы заключена между уплотнительными кольцами 11. Площадь рабочей поверхности цилиндрического электрода 8 составляет 88 см², стержневого 50 см².

Устройство работает следующим образом.

Исходная обрабатываемая вода либо от напорного источника воды, либо из емкости 1 по водопроводным коммуникациям раздельно подается через регуляторы расхода 2, 3 в анодную и катодную камеры реактора 5. С помощью регуляторов расхода 3 и 4 устанавливаются необходимые соотношения объемных расходов католита и анолита. Включается источник тока (например, ИП-2). После проведения электрохимической обработки из реактора по отдельным трубопроводам анолит и католит поступают в емкости-накопители. Причем проведение электрохимической обработки при открытых регуляторах расхода (вентилях) 2, 3, 4 позволяет получать щелочной католит и кислотный анолит, при прикрытых вентилях 2, 4 и открытом 3 нейтральный католит (рН9), а при прикрытом 3 и открытых 2, 4 нейтральный анолит (рН 7). Электрохимическая обработка воды производится во время ее однократного протока снизу вверх в катодной и анодной камере реактора.

Основной реакцией в катодной камере является восстановление воды на катоде под действием электрического тока 2 Н(2) О + 2 е Н(2) + 2 ОН(-) Кроме того, на катоде с образованием высокоактивных соединений протекает целая гамма реакций, результатом которых является усиление основной и восстановительной и ослабление кислотной и окислительной активности воды в химических реакциях.

На аноде при протекании тока происходит окисление воды 2 Н(2)O + 4е 4Н(+) + О(2) Если в воде содержатся хлориды, то наряду с кислородом на аноде выделяется газообразный хлор. Так же протекают многочисленные реакции окисления воды и растворенных в ней веществ, которые сопровождаются появлением высокореакционных продуктов и приводят к усилению кислотной и окислительной, а также к ослаблению основной и восстановительной активности воды.

Экспериментальные данные по по- лучению анолита и католита из воды с различной минерализацией в описываемом устройстве и устройстве-аналоге (ЭХА-30) приведены соответственно в табл. 2 и 3, где ОВП окислительно-восстановительный потенциал.

Предложенное устройство по сравнению с прототипом, при достижении одинакового результата, более просто в изготовлении, так как отсутствуют детали, трудоемкие в изготовлении и сборке (диэлектрические втулки по прототипу имеют большее число каналов и меньше степеней свободы при установке).

Кроме того, при прочих равных условиях, удельный расход энергии при обработке водопроводной воды по заявленному решению составляет 0,75-1,25 кВт х ч/м³, по известному 3,0 кВт х ч/м³.

Устройство имеет более простую и эффективную систему гидравлической обвязки, которая не включает в себя использование многоходовых кранов, а также более широкие функциональные возможности.

По сравнению с базовым устройством предлагаемое устройство в 5-6 раз меньше потребляет энергии, имеет меньшие габаритные размеры и в 10 раз меньшую массу.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ, содержащее коаксиальные цилиндрический и стержневой электроды, вертикально установленные в диэлектрических втулках, керамическую диафрагму, коаксиально установленную во втулках между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, линии подвода и отвода обрабатываемой воды, причем в нижней втулке выполнен канал, соединенный с линией подачи обрабатываемой воды для подвода ее в камеру стержневого электрода, в верхней втулке выполнен канал для отвода воды из камеры стержневого электрода, источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, отличающееся тем, что диафрагма выполнена ультрафильтрационной из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия и установлена таким образом, что геометрические размеры ячейки удовлетворяют соотношениям K/lnL D_s/D_b; S_s/S_b 0,7 0,8, где K межэлектродное расстояние, мм; L длина рабочей части электродной камеры, мм; D_s внутренний диаметр цилиндрического электрода, мм; D_b диаметр средней части стержневого электрода, мм; S_s и S_b площади поперечного сечения камер соответственно цилиндрического и стержневого электродов, м², в верхней и нижней частях цилиндрического электрода выполнены отверстия, соединенные соответственно с линиями отвода и подвода обрабатываемой воды, стержневой электрод выполнен переменного сечения и диаметр его концевых частей составляет 0,75 диаметра его средней части, причем стержневой электрод установлен таким образом, что его средняя часть расположена на уровне, ограниченном отверстиями в верхней и нижней частях цилиндрического электрода, цилиндрический электрод соединен с положительным полюсом источника тока, стержневой с отрицательным, устройство содержит регуляторы расхода обрабатываемой воды, установленные перед входом в электродные камеры и на выходе воды из камеры цилиндрического электрода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит приспособление для дозирования реагента, установленное на линии подачи воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3