способ электрохимического умягчения воды и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ электрохимического умягчения воды путем ее обработки в электрохимической ячейке с нерастворимыми электродами и насадкой из ионнообменного материала, отличающийся тем, что процесс ведут в электрохимической ячейке, снабженной катионнообменной мембраной с образованием кислотной и щелочной камер, причем воду подают в щелочную камеру электрохимической ячейки со скоростью 0,1-1,0 см/с плотностью тока 0,05-5,00 А/дм², затем воду подают на механический фильтр, после чего она поступает в кислотную камеру электрохимической ячейки.

2. Устройство для электрохимического умягчения воды, включающее электрохимическую ячейку с нерастворимыми электродами и насадку из гранулированных ионообменных смол, отличающееся тем, что устройство включает дополнительно механический фильтр и электрохимическая ячейка снабжена катионнообменной мембраной с образованием кислотной и щелочной камер, а насадка из ионообменного материала находится в псевдоожиженном состоянии в щелочной камере.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрохимическая ячейка дополнительно снабжена чередующимися биполярными и катионнообменными мембранами, образующими щелочные и кислотные камеры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области безреагентных методов умягчения природных и промышленных вод.

Известен способ умягчения природных вод в электролизере с двумя нерастворимыми электродами (А. с. СССР N 132132). Недостатком этого способа является осадкообразование на поверхности катода и периодичность процесса.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ умягчения воды путем электролиза постоянным током в электрохимической ячейке с нерастворимыми электродами и насадкой из ионообменных смол. Электролит ведут при плотности тока 0,2-1,0 А/дм² (А. с. СССР N 819066).

Данное техническое решение позволяет увеличить производительность процесса умягчения воды и снизить энергозатраты. Недостатком данного способа является периодичность процесса, обусловленная накоплением солей жидкости в межэлектродном пространстве.

С целью обеспечения непрерывности процесса умягчения воды устройство для электрохимического умягчения воды, включающее электрохимическую ячейку с нерастворимыми электродами и насадку из ионообменных смол, дополнительно включает механический фильтр, электрохимическая ячейка снабжена катионнообменной мембраной, а насадка из ионообменного материала находится в псевдоожиженном состоянии в щелочной камере электрохимической ячейки. Для экономии дорогостоящих электродных материалов возможно включение в электрохимическую ячейку дополнительных чередующихся биполярных и катионнообменных мембран, образующих щелочные и кислотные камеры.

Способ умягчения воды заключается в том, что воду подают в щелочную камеру электрохимической ячейки, заполненную псевдоожиженным слоем ионита, со скоростью 0,1-1,0 см/с и плотностью тока 0,05-5,00 А/дм², затем воду подают на механический фильтр, а далее в кислотную камеру электрохимической ячейки.

На фиг. 1 изображена предлагаемая установка, на фиг. 2 - электрохимическая ячейка, включающая дополнительно биполярные мембраны.

Установка включает электрохимическую ячейку 1, механический фильтр 2. Электрохимическая ячейка 1 состоит из катода 3, анода 4, катионообменной мембраны 5, образующих щелочную камеру 6 и кислотную камеру 7. В щелочную камеру 6 помещен катионит 8, находящийся в псевдоожиженном состоянии. Электрохимическая ячейка может быть дополнительно снабжена чередующимися биполярными 9 и катионообменными 5 мембранами, образующими щелочные 6 и кислотные 7 камеры.

Обрабатываемую воду направляют в щелочную камеру 8 электрохимической ячейки 1 со скоростью 0,1-1,0 см/с и плотностью тока 0,05-5,00 А/дм², где происходит осадкообразование на поверхностях гранул катионита 8, катода 3 и катионообменной мембраны 5. Вследствие постоянного механического взаимодействия гранул катионита 8 между собой, гранул катионита 8 и мембраны 5, гранул катионита 8 и катода 3, из-за низкой адгезии осадков солей жесткости происходит непрерывная очистка перечисленных поверхностей и вынос осадка солей жесткости из щелочной камеры 6 электрохимической ячейки 1. Далее раствор с осадком подают на механический фильтр 2, где происходит отделение твердой фазы. Затем раствор поступает в кислотную камеру 7 электрохимической ячейки 1, где раствор подкисляется до нейтрального значения рН за счет продуктов электролиза и дополнительно очищается от катионов щелочных и щелочноземельных металлов за счет их переноса через катионнообменную мембрану 5 в щелочную камеру 6. Введение в электрохимическую ячейку 1 дополнительно биполярных мембран 9 позволяет уменьшить расход дорогостоящих анодных (электродных) материалов.

Пример. Исходную воду с общей жесткостью 4,3-4,5 мг-экв/л направляют в электрохимическую ячейку 1 размером 200х200х20 мм, состоящую из катода 3, выполненного из нержавеющей стали марки Х18Н10Т, анода 4 марки ОРТа, размерами 200х200 мм, катионнообменной мембpаны 5 марки МФ-4СК, разделяющей электрохимическую ячейку на щелочную 6 и кислотную 7 камеры. Исходный раствор подают в щелочную камеру 6 со скоростью 0,1-1,0 см/с.

В щелочной камере 6 находится катионит 8 марки КУ-2, приведенный в равновесное состояние с обрабатываемым раствором и находящийся в псевдоожиженном состоянии.

При скорости, большей 1,0 см/с, происходит разрушение псевдоожиженного слоя ионита 8, который поднимается в верхнюю часть электрохимической ячейки 1 и щелочная камера 6 начинает зарастать осадком солей жесткости. При скорости, меньшей 0,1 см/с, катионит 8 не будет находиться в псевдоожиженном состоянии.

Выделяющиеся в щелочной камере 6 труднорастворимые осадки солей жесткости механически измельчаются движущимся катионитом 8, выносятся из щелочной камеры 6 и поступают в механический фильтр 2, где происходит отделение твердой фазы раствора. После фильтра раствор подают в кислотную камеру 7 электрохимической ячейки, где раствор подкисляется до нейтрального значения рН.

Процесс вели при плотности тока 0,012-5,00 А/дм². Результаты исследования приведены в таблицах 1 и 2.

Как показали ресурсные испытания, предлагаемая установка, проработав непрерывно 300 часов, давала стабильные результаты по уменьшению жесткости воды (С кон=0,8 мг-экв/л при С нач=4,5 мг-экв/л). При этом удельные энергозатраты равны 4,7 кВт-ч/г-экв, а удельная производительность 80 г-экв/чм³. В то же время известная установка, проработав всего 30 часов, давала следующие результаты: С кон=2,2 мг-экв/л при С нач=4,5 мг-экв/л, удельные энергозатраты 150 кВт-ч/г-экв, а удельная производительность 30 г-экв/чм³.

В таблице 2 представлены характеристики предлагаемого способа умягчения воды при различных плотностях тока (от 0,01 до 6,00 А/дм²) и различной скорости потока (от 0,1 до 1,0 см/с).

Исходя из опытных данных выбраны оптимальные плотности тока (от 0,05 до 5,00 А/дм² и скорости протока (от 0,1 до 1,0 см/с), при которых достигается большая производительность (21-266 г-экв/чсм³, малые энергозатраты (0,12-50,00 кВт-ч/г-экв) и высокая степень умягчения (0,14-0,84). Таким образом, использование заявляемого устройства позволяет проводить непрерывно процесс умягчения воды при его стабильно высоких технико-экономических характеристиках.