Электрод, устройство и способ электролитической обработки жидкости, система восстановления почвы на месте и устройство для выполнения восстановительно-окислительных реакций

Электрод, устройство и способ электролитической обработки жидкости, система восстановления почвы на месте и устройство для выполнения восстановительно-окислительных реакций

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к электроду, выполненному из материала с низкой электропроводностью. Обычно такие электроды имеют форму удлиненного полого тела. Предпочтительно корпус такого электрода выполнен из достехиометрической окиси титана или подобного материала, причем в этом случае, вероятно, что в результате наиболее эффективного способа производства корпус получается пористым.

Для иллюстрации было подсчитано, что при использовании трубчатого корпуса длиной 500 мм, с внешним диаметром 18 мм и толщиной стенок 3 мм, изготовленного из материала с объемным удельным сопротивлением 30 мОм·см, с электрическим подключением на одном конце, при силе тока 2,83 А (необходимой для получения плотности тока 100 А/м² во всех точках вдоль длины электрода), между концами такого электрода происходит падение напряжения, составляющее, приблизительно, 750 мВ. Во многих случаях применения в электрохимических установках в результате такого падения напряжения на электроде могут появиться области, где потенциал будет недостаточным для выполнения предлагаемой функции. В случае электролитического процесса, работающего с низкой разностью потенциалов порядка 1-5 В между анодом и катодом (предпочтительная ситуация, поскольку при этом обычно снижаются затраты электроэнергии), нельзя гарантировать, что вся площадь поверхности электрода будет одинаково эффективно использоваться, или будет работать вообще. Это в особенности относится к таким электролитическим процессам, как обработка воды, в которых предпочтительно использовать электроды с достаточно высоким превышением потенциала газовыделения на их поверхности (такие как изготовленные из достехиометрической окиси титана, двуокиси свинца, двуокиси олова с присадками и т.д.). В этих случаях получаемая плотность тока может изменяться между концами такого электрода больше, чем на 50%.

Настоящее изобретение относится к способу получения электрического соединения с таким электродом, который решит эту проблему, в частности, имеющим корпус электрода, изготовленным из пористого материала.

Известен электрод, имеющий удлиненный, в основном, полый корпус, выполненный из пористого материала с относительно низкой электропроводностью, и средство соединения, содержащее удлиненный элемент, который подключен к источнику питания, причем средство соединения расположено внутри корпуса (см. патент US 4422917). Однако в известном электроде не обеспечивается равномерное распределение электрического тока от источника вдоль электрода, таким образом не вся площадь поверхности электрода одинаково эффективно используется.

Технический результат от использования предложенного изобретения заключается в эффективности электролитической обработки жидкости, загрязненную отходами сточных вод, инфекционными и радиоактивными веществами, при минимальном напряжении вдоль длины электрода.

Этот технический результат достигается за счет того, что средство соединения контактирует с поверхностью внутренней стенки корпуса в множестве отдельных друг от друга местоположениях вдоль длины корпуса, для практически равномерного распределения электрического тока, от источника питания вдоль электрода.

Электропроводный элемент имеет электрическую проводимость, по существу, более высокую (по меньшей мере, на 2 порядка выше), чем корпус электрода. В одной из форм средство соединения представляет собой проводник, скрученный в виде удлиненной пружины, форма которой создает механический контакт витков пружины с поверхностью внутренней стенки полого корпуса через равные интервалы. В другом варианте воплощения отдельные отрезки проводника подключены в местах, продольно разнесенных друг от друга, и каждый из них находится в контакте с внутренней стенкой корпуса.

Полый корпус может быть выполнен из материалов, выбранных в определенном диапазоне. Наиболее предпочтительно изготовлять корпус электрода из достехиометрической окиси титана в форме TiO_x, где х - составляет от, приблизительно, 1,99 до, приблизительно, 1,7. Такой корпус является, в общем, пористым, поскольку большинство эффективных по стоимости процессов производства цилиндрического или полого корпуса из таких материалов приводят к получению пористой структуры. В нем могут присутствовать каталитические элементы. В предпочтительном варианте воплощения корпус электрода выполнен из достехиометрической окиси титана, и проводник электрода изготовлен из вентильного металла, благодаря чему получается долговечное электрическое соединение.

Корпус, предпочтительно, имеет, по меньшей мере, 200 мм в длину и настоящее изобретение направлено на использование таких материалов, удельное объемное электрическое сопротивление которых выше, чем, приблизительно, 20 мOм·см. Если материал корпуса имеет более высокое удельное сопротивление, то настоящее изобретение применимо в случаях, когда длина корпуса составляет, по меньшей мере, 150 мм.

Электрод в соответствии с настоящим изобретением используется во многих процессах, когда предпочтительно использовать цилиндрическую геометрию электрода, таких как обработка жидкостей для удаления загрязняющих веществ и восстановление загрязненной почвы на месте. В основном случае, загрязняющие воду вещества могут быть сгруппированы по следующим семи классам:

1. Сточные воды и другие отходы, обедненные кислородом.

2. Инфекционные вещества.

3. Питательные вещества растений.

4. Экзотические органические химикаты.

5. Неорганические минералы и химические соединения.

6. Отложения.

7. Радиоактивные вещества.

Сточные воды и другие отходы, обедненные кислородом, обычно представляют собой углеродистые органические материалы, которые могут быть окислены биологически (или иногда химически) до двуокиси углерода и воды. Эти отходы могут быть проблематичными. Инфекционные вещества обычно присутствуют в сточных водах муниципалитетов, санаториев, дубильных и мясоперерабатывающих производств и кораблей. Этот тип загрязнения может привести к заболеваниям человека и животных, включая поголовье скота.

Питательные вещества растений (например, азот и фосфор) могут стимулировать рост водных растений, которые мешают использованию воды, и последующее гниение которых приводит к образованию неприятного запаха и повышению количества загрязнений воды, обедненных кислородом.

Экзотические органические химикаты включают поверхностно-активные вещества, используемые в моющих средствах, пестицидах, различных промышленных продуктах и продуктах распада других органических веществ. Некоторые из этих веществ известны как токсичные для рыбы при очень низких концентрациях. Многие из этих соединений не могут непосредственно разлагаться биологическим способом.

Неорганические материалы и химические соединения, в общем, присутствуют в воде муниципальных учреждений и в промышленных сточных водах, а также в городских стоках. Эти загрязняющие вещества наносят вред рыбе и другим формам водной жизни или приводят к их гибели, а также могут сделать воду непригодной для питья или промышленного использования. Яркий пример представляет собой наличие в воде ртути. Другой пример представляет загрязнение солью, используемой для удаления льда с дорог зимой в условиях северного, холодного климата.

Отложения представляют собой частицы почвы и минералов, вымываемые с земли при бурях и наводнениях, с пахотных земель, незащищенных лесных почв, вытоптанных скотом пастбищ, карьеров, дорог и с расчищенных городских грунтов. Отложения заполняют сточные канавы и резервуары; усиливают эрозию гидротурбин и насосного оборудования, снижают количество солнечного света, поступающего к водным растениям; засоряют водяные фильтры; и покрывают наносами места нереста рыб, икру и места кормежки, снижая, таким образом, популяции рыб и моллюсков.

Радиоактивные вещества обычно попадают в водную среду из отходов разработки месторождений урана и тория, а также отходов их рафинирования; из атомных электростанций и в результате промышленного, медицинского, научного использования радиоактивных материалов.

В другом аспекте настоящее изобретение направлено на устройство, предназначенное для использования при электролитической обработке жидкости, включающее камеру, содержащую обрабатываемую жидкость, анод и катод, по меньшей мере, один из которых представляет собой электрод, в соответствии с настоящим описанием, и источник электрического тока.

Настоящее изобретение, очевидно, особенно эффективно для обработки воды или водной среды. В этом случае электрический ток пропускают между анодом и катодом через небольшой зазор, через который проходит вода. Благодаря структуре электрода, в соответствии с настоящим изобретением, можно гарантировать, что заранее определенный минимум напряжения, например, 3 В будет присутствовать вдоль всей длины электрода.

Электроды, изготовленные из достехиометрической окиси титана, имеют высокое превышение потенциала газовыделения, то есть напряжения, необходимого для получения заметного тока из-за низкой каталитической активности поверхности, для расщепления воды на водород и гидроксильные радикалы. Этот уровень превышает 1 В, если только поверхность не будет катализирована, так что эффективная движущая сила для тока составляет по большей части приблизительно 2 В (если общее напряжение составляет 3 В, как указано выше) вблизи к разъему и 1,25 В на другом конце из-за падения напряжения вдоль электрода, изготовленного без использования настоящего изобретения, в условиях, описанных выше.

В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к способу электролитической обработки жидкости с помощью описанного устройства, включая подачу тока от источника питания на электрод с низкой проводимостью при обеспечении плотности тока более чем 10 A/м² для внешней поверхности анода, благодаря чему может быть достигнуто изменение напряжения между любыми двумя точками электрода меньше, чем 200 мВ.

Для лучшего понимания настоящего изобретения оно будет описано ниже на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фигура 1 изображает схему, представляющую электрохимическую ячейку для обработки воды;

Фигура 2 изображает увеличенный вид с частичным разрезом одного из вариантов воплощения, схематично изображенного на фигуре 1,

Фигура 3 изображает другой вариант воплощения изобретения.

Система обработки воды содержит ячейку, при использовании которой обрабатываемая вода подводится в кольцевое пространство 2 между двумя электродами с удлиненным трубчатым корпусом, с небольшим кольцевым зазором между ними. Длина каждого электрода обычно составляет 500 мм и они подключены к соответствующим полюсам источника 4 постоянного напряжения так, что один электрод представляет собой катод 5 и другой (на чертеже внутренний электрод) представляет собой анод 6. Внутренний электрод обычно имеет внешний диаметр 18 мм, и кольцевой зазор обычно составляет 2 мм. Когда ток проходит через электроды, происходит электролитическая реакция, такая как обработка воды для удаления загрязнителей. Вода проходит в кольцевом зазоре между электродами. Обычно электрическое подключение подводят к одному из концов внутреннего электрода, и на электроды подают ток порядка 2,83 А. Если внутренний электрод изготовлен из трубки из достехиометрической окиси титана с толщиной стенки 3 мм и удельным объемным сопротивлением порядка 30 мОм·см, без использования настоящего изобретения, падение напряжения составляет приблизительно 750 мВ вдоль длины внутреннего электрода, так, что потенциал ячейки на одном конце будет составлять, приблизительно, 3 В, а на другом 2,25 В.

В соответствии с настоящим изобретением, анод 6 на фигуре 1 содержит удлиненную трубку 10, выполненную из достехиометрической окиси титана, путем формовки выдавливанием или с использованием подобных процессов. Трубка имеет приблизительно 500 мм в длину, внутренний диаметр 12 мм и внешний диаметр 18 мм, то есть толщина стенки составляет приблизительно 3 мм.

В соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения и как показано на фигуре 2, линия подачи тока представляет собой отрезок пружины из проволоки из титана, который проходит вдоль внутреннего канала трубки. Один конец средства соединения 11, выполненного в виде проволоки, соединен с источником 4 питания, другой конец может быть закрыт колпачком. Витки пружины входят в механический контакт с внутренней стенкой трубы в отделенных друг от друга местах L, благодаря чему подача тока распределяется, в основном, равномерно вдоль длины трубки. В результате напряжение ячейки будет, по существу, одинаковым вдоль всей длины ячейки и, следовательно, ячейка по всей длине будет эффективно выполнять свою электрохимическую функцию, такую как уничтожение микроорганизмов, окисление и/или восстановление' загрязнителей.

Катод может иметь такую же форму, что и анод, или может иметь стандартную конструкцию.

В варианте воплощения, изображенном на фигуре 3, витки пружины заменены последовательностью отдельных соединителей в средстве соединения 12, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль длины трубки.

Настоящее изобретение не ограничивается представленным вариантом воплощения. Устройство обработки воды может содержать набор ячеек и включать другие виды обработки. Электрод необязательно должен иметь круглое сечение. Хотя настоящее изобретение было описано по отношению к обработке воды, такой электрод может использоваться в любой ситуации, когда необходимо использовать удлиненный электрод. Такие варианты применения включают восстановление почвы на месте и реакции электрохимического синтеза, например, в окислительно-восстановительной системе.

1. Электрод, содержащий удлиненный, в основном полый корпус (5), выполненный из пористого материала с относительно низкой электропроводностью, и средство (11, 12) соединения, представляющее собой удлиненный электропроводный элемент, который подключен к источнику (4) питания, средство соединения расположено внутри полости корпуса (5), отличающийся тем, что средство соединения (11, 12) контактирует с поверхностью внутренней стенки корпуса (5) во множестве отделенных друг от друга местоположениях вдоль длины корпуса, для практически равномерного распределения электрического тока от источника питания вдоль электрода.

2. Электрод по п.1, в котором средство (11) соединения представляет собой удлиненную пружину, изготовленную из упругого провода, имеющую такую форму, благодаря которой создается механический контакт витков пружины с поверхностью внутренней стенки корпуса (5) в отделенных друг от друга местах вдоль его длины.

3. Электрод по п.1, в котором средство (12) соединения содержит отдельные проводники, находящиеся в контакте с поверхностью внутренней стенки корпуса (5) в соответствующих местах, отделенных друг от друга, вдоль его длины.

4. Электрод по п.1, в котором электропроводный элемент имеет удельную электропроводность, превышающую, по меньшей мере, на два порядка проводимость корпуса.

5. Электрод по п.1, в котором корпус электрода выполнен из достехиометрической окиси титана в форме TiO_х, где х составляет от 1,99 до приблизительно 1,7.

6. Электрод по п.1, в котором длина корпуса составляет, по меньшей мере, 200 мм.

7. Электрод по п.1, в котором средство соединения изготовлено из вентильного металла.

8. Устройство для электролитической обработки жидкости, включающее камеру, содержащую обрабатываемую жидкость, анод и катод, по меньшей мере, один из которых представляет собой электрод в соответствии с любым из пп.1-7.

9. Устройство по п.8, в котором жидкость представляет собой жидкие водные отходы или воду, и обработка состоит в удалении загрязнителей.

10. Способ электролитической обработки жидкости с помощью устройства по п.8 или 9, включающий подачу тока от источника питания на электрод с плотностью, превышающей 10 А/м² в отношении внешней площади анода, и при этом изменение напряжения между любыми двумя точками электрода составляет меньше чем 200 мВ.

11. Система восстановления почвы на месте, включающая электрод по любому из пп.1-7.

12. Устройство для выполнения восстановительно-окислительных реакций, включающее электрод по любому из пп.1-7.