Патент 2322397

Установка для получения водного раствора оксидантов

Изобретение относится к устройствам для электрохимического получения активированных водных растворов оксидантов и может быть использовано для дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации различных объектов. Установка содержит диафрагменный электрохимический реактор, электроды которого разделены мелкопористой диафрагмой на анодную камеру, вход и выход которой соединены анодным циркуляционным контуром с установленным на нем приспособлением для отделения анодных электролизных газов, которое соединено с линией отвода анодных электролизных газов, и на катодную камеру с входом и выходом. Установка содержит сепаратор для разделения газовой и жидкой фазы католита, выходы которого соединены с линиями отвода католита и линией отвода газовой фазы, узел смешения, который соединен с линией отвода анодных электролизных газов, линию подачи пресной воды и линию отвода водного раствора оксидантов. Линия подачи пресной воды соединена с входом катодной камеры, вход сепаратора для разделения газовой и жидкой фазы соединен с выходом катодной камеры, узел смешения установлен на линии отвода католита из сепаратора. Установка дополнительно содержит приспособление для повышения концентрации анолита, выполненное в виде проточной контактной емкости, содержащей загрузку из твердого хлорида щелочного металла, и установленное на анодном циркуляционном контуре между приспособлением для отделения анодных электролизных газов и входом анодной камеры. Технический эффект - обеспечение стабильной работы установки при контролировании меньшего числа параметров, улучшение характеристики получаемого продукта. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Область применения

Изобретение относится к области прикладной электрохимии, в частности к устройствам для электрохимического получения активированных водных растворов оксидантов, являющихся дезинфицирующими растворами, и может быть использовано для дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации различных объектов, в том числе в пищевой промышленности и на объектах здравоохранения.

Предшествующий уровень техники

В прикладной электрохимии известно использование различных установок для получения активированных растворов оксидантов с использованием проточных электрохимических реакторов в различных гидравлических схемах [см. например, «Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы» М., ВНИИИМТ, 1999, стр.36-46].

Недостатком известных установок для получения активированных растворов оксидантов является низкий коэффициент использования соли, не превышающий 10-15%, в связи с чем дезинфицирующие растворы имеют в своем составе хлорид натрия в количестве большем, чем содержание функционально полезных оксидантов. Это приводит к усилению коррозионной активности растворов оксидантов. Антимикробная активность таких растворов быстро уменьшается во времени, что обусловлено ускорением взаимонейтрализации хлоркислородных и гидропероксидных соединений в растворе оксидантов при повышении его общей минерализации. Устранение этого недостатка приводит к усложнению схем установок и к повышению затрат на эксплуатацию.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату является установка для получения водного раствора оксидантов путем растворения продуктов анодного окисления растворов хлорида щелочного металла в водопроводной, то есть питьевой воде. Установка содержит как минимум одну электрохимическую диафрагменную ячейку, выполненную из коаксиально установленных цилиндрических внешнего и внутреннего электродов и размещенную между ними коаксиально мелкопористую диафрагму из керамики на основе оксидов циркония, разделяющую межэлектродное расстояние на анодную и катодную камеры. Камеры имеют вход и выход, которые соединены соответственно с анодным и катодным циркуляционными контурами. В анодном контуре установлено приспособление для отделения анодных электролизных газов, которое соединено с линией отвода анодных электролизных газов, катодный контур соединен с сепаратором для разделения газовой и жидкой фазы католита, узел смешения соединен с линией отвода анодных электролизных газов и с линией подачи пресной (водопроводной) воды. Предусмотрена также возможность подачи в узел смешения части католита из катодного циркуляционного контура для регулирования значения рН [см. патент РФ №2088693, С 259/00, 1996]. Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Известная установка, выполненная по модульному принципу, позволяет сравнительно легко собирать установки различной производительности и получать продукты в виде растворов оксидантов, имеющих высокую концентрацию оксидантов при малом солесодержании раствора. Недостатками установки является то, что в качестве исходных солевых растворов используются высококонцентрированные, насыщенные растворы хлорида щелочного металла, а также необходимость точного дозирования исходных растворов соли в реактор с помощью дозировочного насоса. Кроме того, известная установка снабжена сравнительно большим количеством регулирующих приспособлений, сравнительно громоздка, имеет два циркуляционных контура, причем к газоотделительным емкостям, которыми снабжены эти контуры, предъявляются дополнительные требования по объему и высоте их размещения относительно ячеек, что приводит к увеличению габаритов установки. Наличие двух циркуляционных контуров со многими сопряжениями создает дополнительную опасность разгерметизации. То что анодный контур работает под давлением, предъявляет дополнительные требования к материалам.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом, достигаемым при использовании данного изобретения, является упрощение установки и обеспечение возможности стабильной работы установки в автономном режиме без необходимости контролирования большого числа параметров, снижения расходов и трудозатрат на ее эксплуатацию.

Указанный технический результат достигается следующим исполнением установки. Установка для получения водного раствора оксидантов содержит диафрагменный электрохимический реактор, электроды которого разделены мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры. Вход и выход анодной камеры соединены анодным циркуляционным контуром с приспособлением для отделения анодных электролизных газов, которое соединено с линией отвода анодных электролизных газов. Выход катодной камеры соединен с входом сепаратора для разделения газовой и жидкой фазы католита. Установка также содержит узел смешения, который соединен с линией отвода анодных электролизных газов, линию подачи пресной воды и линию отвода водного раствора оксидантов, причем линия подачи пресной воды соединена с входом катодной камеры. Узел смешения размещен на линии отвода католита из сепаратора. Установка дополнительно содержит приспособление для повышения концентрации анолита, выполненное в виде проточной контактной емкости, содержащей загрузку из твердого хлорида щелочного металла, и установленное в анодном циркуляционном контуре между приспособлением для отделения анодных электролизных газов и входом анодной камеры.

В зависимости от расхода питьевой воды, подаваемой на вход катодной камеры, при его увеличении установка содержит насос и дополнительную линию отвода католита из сепаратора.

Установка для получения водного раствора оксидантов содержит диафрагменный электрохимический реактор, который может быть выполнен из одной или нескольких ячеек, которые соединены параллельно по ходу обрабатываемых растворов. Это позволяет регулировать производительность установки в зависимости от требований потребителя.

Существенным является использование мелкопористой диафрагмы, которая разделяет межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры. Характеристики диафрагмы определяются в зависимости от использования раствора хлорида щелочного металла. Использование мелкопористой диафрагмы позволяет вести процесс при преимущественном переносе тока за счет перемещения ионов щелочного металла из анодной в катодную камеру и окисления хлорид-ионов на аноде.

Вход и выход анодной камеры соединены анодным циркуляционным контуром с установленным на нем приспособлением для отделения анодных электролизных газов, которое соединено с линией отвода анодных электролизных газов. Такое выполнение позволяет обеспечить циркуляцию электролита в анодном циркуляционном контуре, снижая газонаполнение в анодной камере и пополняя ее анолитом, обогащенным хлоридом щелочного металла. Размещение в анодном циркуляционном контуре приспособления для повышения концентрации анолита, выполненное в виде проточной контактной емкости, содержащей загрузку из твердого хлорида щелочного металла, позволяет поддерживать концентрацию анолита на постоянном уровне, пополняя его убыль в ходе электрохимического процесса, что приводит к стабильности рабочих параметров установки. Постоянство концентрации хлорида натрия в анолите обеспечивается без дополнительных трудозатрат за счет самопроизвольного растворения твердой соли. Скорость растворения самопроизвольно регулируется за счет протока электролита и величины тока, определяющей скорость обеднения раствора, протекающего через реактор.

Линия подачи пресной воды соединена с входом катодной камеры, а выход катодной камеры соединен с входом сепаратора для разделения газовой и жидкой фазы католита. Сепаратор позволяет выводить из цикла обработки образовавшиеся в результате процесса электролизные газы из катодной камеры. Электролизные газы выводятся вместе с частью католита и шламом, который представляет собой нерастворимые осадки гидроксидов металлов, образющиеся в зависимости от состава исходной питьевой воды в связи с увеличением значения рН в катодной камере. Католит, из которого, по крайней мере, частично удалены электролизные газы поступает на смешение с анодными электролизными газами. Узел смешения соединен с линией отвода анодных электролизных газов и линией отвода водного раствора оксидантов. Такое выполнение позволяет при сохранении минимального солесодержания раствора, которое определятся солесодержанием исходной питьевой воды, получать раствор оксидантов значительной концентрации. При этом за счет того, что католит имеет повышенное значение рН, после растворения в нем электролизных анодных газов значение рН является близким к нейтральному.

Расход питьевой воды, подаваемой в установку, регулируется с помощью регулятора расхода. В зависимости от этого расхода при его увеличении установка может дополнительно содержать насос и дополнительную линию отвода католита из сепаратора. При повышении расхода воды, протекающей через катодную камеру, снижается концентрация в ней ионов щелочного металла, поступивших в катодную камеру в результате переноса тока, и как следствие этого, повышается электрическое сопротивление раствора в катодной камере и соответственно увеличивается расход энергии на проведение процесса. Введение части католита, то есть обеспечение его циркуляции в катодной камере, позволяет стабилизировать процесс по току. В этом случае установка содержит насос и дополнительную линию отвода католита из сепаратора.

Краткое описание фигур чертежей

Установка для получения раствора оксидантов (фиг.1), содержит электрохимический реактор 1, выполненный из одной или нескольких электрохимических модульных ячеек, соединенных параллельно. Электрохимические ячейки разделены диафрагмой 2 на анодную 3 и катодную 4 камеры. Выход и вход анодной камеры соединены циркуляционным контуром 5, на котором установлены приспособление для отделения электролизных газов анолита 6, выход которого соединен линией отвода продуктов электролиза с смесителем 8, и приспособление для повышения концентрации анолита, выполненное в виде проточной контактной емкости 9 с загрузкой 10 из твердого хлорида щелочного металла.

Вход катодной камеры 4 соединен с линией подачи пресной воды 11, на которой установлен регулятор расхода 12. Выход катодной камеры 4 соединен линией отвода католита 13 с входом сепаратора 14 для отделения жидкой фазы католита от электролизных газов. Выходы сепаратора 14 соединены с линией отвода католита 15, которая соединена с узлом смешения 8, и линией отвода газов со шламом 16.

Установка может дополнительно содержать насос 17, который установлен на линии подачи пресной воды 11, между регулятором расхода 12 и входом в катодную камеру 4 (фиг.2). В этом случае сепаратор содержит дополнительную линию отвода католита 18, соединенную с насосом 17.

Вывод узла смешения 8 соединен с линией 19 отвода водного раствора оксидантов.

Установка работает следующим образом.

Катодная 4 и анодная 3 камеры, а также анодный контур 5 с контактной емкостью 9 приспособлением для отделения анодных газов заполняются пресной водой. Контактную проточную емкость 9 заполняют загрузкой из твердого хлорида щелочного металла, после чего включают подачу пресной воды в катодную камеру 4 по линии 11. Расход устанавливают с помощью регулятора расхода 12. На электроды электрохимичсеского реактора 1 подают напряжение. Подача напряжения осуществляется источником, стабилизированным по току (не показан).

При проведении процесса электролиза в анодной 3 и в катодной 4 камерах на электродах выделяются электролизные газы. За счет уменьшения кажущейся плотности анолита в результате газонаполнения анолит из анодной камеры 3 поднимается к выходу анодной камеры 3, поступает в приспособление для отделения анодных электролизных газов 6. После отделения газов кажущаяся плотность анолита увеличивается, и он опускается по анодному циркуляционному контуру 5 к входу анодной камеры 3. При прохождении размещенной перед входом анодной камеры проточной контактной емкости 9 с загрузкой 10 из твердого хлорида щелочного металла анолит растворяет твердую соль, проникая через разделяющую их титановую сетку, концентрация хлорида в нем повышается и он поступает на обработку в анодную камеру 3. При наличии в анолите хлорида щелочного металла в анодной камере выделяется электролизные газы, смесь оксидантов, примущественно хлор, содержание примесей в которой определяется составом пресной воды и чистотой соли, использованной для загрузки 10.

Анодные электролизные газы отделяются в приспособлении 6 в виде газожидкостной смеси с пенообразной структурой и по линии 7 поступают в узел смешения 8.

В катодную камеру 4 при проведении процесса через мелкопористую диафрагму поступают ионы щелочного металла, на катоде выделяется элетролизный газ - преимущественно водород, и католит в виде газожидкостной смеси по линии 13 поступает в сепаратор 14, из верхней части которого по линии 16 выводится газ и увлеченный им шлам, образовавшийся в результате увеличения значения рН католита в процессе электролиза. В зависимости от расхода по линии 16 может быть выведена из процесса обработки и часть католита. Вывод из процесса части католита может быть осуществлен за счет поддержания уровня католита в сепараторе 14 или путем регулирования количества выводимого католита по линии 15 с помощью приспособлений, установленных на этой линии (не показаны).

По линии 15 из сепаратора 14 выводится католит и подается в узел смешения 8, где смешивается с газожидкостной смесью, поступившей по линии 7 из анодной камеры 3. Полученный продукт - водный раствор оксидантов выводится по линии 19 и подается потребителю.

При проведении процесса с повышенным расходом пресной воды используется схема, представленная на фиг.2. В этом случае часть католита по линии 18 поступает в насос 17 и смешивается с подаваемой в катодную камеру пресной водой. Это позволяет повысить электропроводность католита и снизить расход энергии на проведение процесса.

При работе установки необходимо контролировать следующие параметры: силу тока и напряжение на электрохимическом реакторе, поддерживая при этом постоянный расход воды. Уменьшение силы тока и/или увеличение напряжения на электродах электрохимического реактора свидетельствует либо об истощении запаса твердого хлорида натрия в контактной емкости, либо о необходимости удалить катодные отложения из электрохимического реактора промывкой раствором кислоты. Также необходимо поддерживать уровень анолита в приспособлении для отделения электролизных газов, обеспечивающий беспрепятственную циркуляцию анолита за счет газлифта, что может осуществляеться либо путем добавления воды в анодный циркуляционный контур, либо повышением давления в катодной камере и увеличения за счет этого интенсивности осмотического переноса воды из катодной камеры в анодную через диафрагму реактора.

Варианты осуществления изобретения

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможностей реализации изобретения. Во всех примерах использовалась ячейка ПЭМ-3 (элемент проточный электрохимический модульный, модель 3), изготовленная по патенту США №5635040, C02F 1/461, 03.06.97, анод и катод которой установлены с межэлектродным расстоянием 3 мм. При этом внешний диаметр анода составлял 8 мм, внутренний диаметр катода D был равен 14 мм, длина катода равнялась 200 мм, толщина стенок диафрагмы равнялась 0,6 мм. В ячейке была установлена ультрафильтрационная диафрагма из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия.

Проточная контактная емкость объемом 500 мл заполнялась таблетированным хлоридом натрия.

Пример 1. Установка для получения водного раствора оксидантов была собрана по схеме, приведенной на фиг.1

После заполнения установки пресной водой осуществлялась подача пресной воды с расходом 5-15 л/час.

Подачу электропитания на реактор установки осуществляли таким образом, что ток, протекающий между электродами, составлял величину 10 А.

После выхода на режим (в течение 3 минут) установка проработала непрерывно в течение 30 часов (3 дня по 10 часов), при этом было получено 50 литров раствора оксидантов при расходе воды 5 литров в час, 100 литров раствора оксидантов при расходе воды 10 литров в час и 150 литров раствора оксидантов при расходе воды 15 литров в час. Солесодержание водного раствора оксидантов составляло соответственно 1,4; 1,1 и 0,7 г/л, окислительная активность, определенная по количеству оксидантов составляла также соответственно 800, 600 и 500 мг/л.

По сравнению с известными техническими решениями аналогичное значение концентрации оксидантов возможно получить только в случае, если общее солесодержание раствора оксидантов не менее 7, 5 и 3 грамм в 1 литре.

По сравнению с прототипом, установка не требовала регулировки в процессе работы в течение 30 часов, в то время как установка по прототипу нуждалась в корректировке режима работы 12 раз за то же время.

Пример 2. Установка для получения водного раствора оксидантов была собрана по схеме, приведенной на фиг.2

После заполнения установки пресной водой осуществлялась подача пресной воды с расходом 15-30 л/час.

Подача электропитания на реактор установки осуществляли таким образом, что ток, протекающий между электродами, составлял величину 10 А. После выхода на режим (в течение 3 минут) установка проработала непрерывно в течение 40 (4 дня по 10 часов) часов, при этом было получено 150, 200, 250 и 300 литров раствора оксидантов при расходе воды соответственно 15, 20, 25 и 30 литров в час. Солесодержание водного раствора оксидантов составляло 0,6, 0,5, 0,4 и 0,3 г/л, окислительная активность, определенная по количеству оксидантов составляла также соответственно 500, 370, 290 и 200 мг/л.

По сравнению с известными техническими решениями аналогичное значение концентрации оксидантов возможно получить только при общем солесодержании раствора оксидантов не менее соответственно 3; 2,6; 2,0 и 1,5 г/л.

По сравнению с прототипом установка не требовала регулировки в процессе работы в течение 30 часов, в то время как установка по прототипу нуждалась в корректировке режима работы 12 раз за то же время.

Как видно из представленных данных и описания установки, установка согласно изобретению значительно проще, так как не содержит катодного циркуляционного контура, стабильная работа установки достигается при контролировании меньшего числа параметров в автономном режиме. Расход энергии на производство водного раствора оксидантов ниже, а сам раствор обладает лучшими характеристиками, а за счет того, что не требуется готовить концентрированный раствор хлорида щелочного металла и контролировать несколько параметров по работе установки и по характеристикам получаемого раствора достигается снижения расходов и трудозатрат на ее эксплуатацию.

Промышленная применимость

Изобретение позволяет упростить конструкцию установки, обеспечить стабильную работу установки при контролировании меньшего числа параметров в автономном режиме, улучшить характеристики получаемого продукта и снизить расходы и трудозатраты на эксплуатацию установки.

1. Установка для получения водного раствора оксидантов, содержащая диафрагменный электрохимический реактор, электроды которого разделены мелкопористой диафрагмой на анодную камеру, вход и выход которой соединены анодным циркуляционным контуром с установленным на нем приспособлением для отделения анодных электролизных газов, которое соединено с линией отвода анодных электролизных газов, на катодную камеру с входом и выходом, сепаратор для разделения газовой и жидкой фазы католита, выходы которого соединены с линиями отвода католита и линией отвода газовой фазы, узел смешения, который соединен с линией отвода анодных электролизных газов, линию подачи пресной воды, и линию отвода водного раствора оксидантов, отличающаяся тем, что линия подачи пресной воды соединена с входом катодной камеры, вход сепаратора для разделения газовой и жидкой фазы соединен с выходом катодной камеры, узел смешения установлен на линии отвода католита из сепаратора и установка дополнительно содержит приспособление для повышения концентрации анолита, выполненное в виде проточной контактной емкости, содержащей загрузку из твердого хлорида щелочного металла, и установленное на анодном циркуляционном контуре между приспособлением для отделения анодных электролизных газов и входом анодной камеры.

2. Установка для получения водного раствора оксидантов по п.1, отличающаяся тем, что установка содержит насос и дополнительную линию отвода католита из сепаратора, при этом насос установлен на линии подачи пресной воды, а дополнительная линия отвода католита из сепаратора для разделения газовой и жидкой фазы католита соединена с насосом.