устройство для электрохимической обработки воды

Формула изобретения

1. Устройство для электрохимической обработки воды, содержащее как минимум одну электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных стержневого и цилиндрического электродов, последний из которых установлен в нижней и верхней диэлектрических втулках, керамической диафрагмы, коаксиально размещенной между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры, причем в нижней и верхней втулках для подвода и отвода обрабатываемой воды в камеру цилиндрического электрода выполнены каналы, снабженные штуцерами, источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, и приспособление для подачи и отвода обрабатываемой воды в электродные камеры, отличающееся тем, что электрохимическая ячейка дополнительно содержит верхнюю и нижнюю диэлектрические коллекторные головки, выполненные с диаметром, равным диаметру втулок, и закрепленные соответственно на торцах верхней и нижней втулок с помощью пазовых соединений, причем головки установлены с возможностью поворота, в нижней и верхней головках соответственно для подвода и отвода обрабатываемой воды в камеру стержневого электрода выполнены каналы, снабженные штуцерами, стержневой электрод закреплен в головках с помощью упругих уплотнений, диафрагма закреплена с помощью упругих прокладок, расположенных в пазовых соединениях, ячейка также содержит приспособления для фиксации головок, а штуцера втулок и головок соединены с приспособлением для подачи и отвода обрабатываемой воды.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что стержневой электрод выполнен переменного сечения и диаметр его концевых частей составляет 0,75 диаметра его средней части, причем средняя часть электрода с большим диаметром расположена на уровне каналов в верхней и нижней коллекторных диэлектрических головках.

3. Устройство по пп. 1 2, отличающееся тем, что приспособления для фиксации головок выполнены в виде прижимных шайб и гаек, расположенных на концевых частях стержневого электрода.

Описание изобретения к патенту

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 прикладной электрохимии используются электролизеры различных конструкций, обеспечивающие обработку воды.

Известны аппараты, использующие коаксиальные цилиндрические электроды, например, аппарат, содержащий стержневой и цилиндрический электроды, разделенные диафрагмой и установленные в корпусе [1] Однако недостатком данного устройства является сложность его изготовления, монтажа и демонтажа.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство для электролиза воды [2] которое состоит из цилиндрического электролиза 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 уплотнения катодных отложений с одновременным переключением гидравлических линий, обеспечивающих постоянное поступление раствором на анодной и катодной камеры без смешения.

Недостатком известного решения является относительная сложность конструкции, проявляющаяся при необходимости увеличения производительности.

При необходимости значительного увеличения или уменьшения производительности установки следует использовать электролизеры соответствующих размеров и, следовательно, различной конструкции. При этом каждое конкретное конструктивное исполнение электролизера имеет наибольшую эффективность для заранее определенных условий работы и не может быть рационально использовано в широком диапазоне минерализации, объемных расходов, удельных затрат количества электричества и других параметров.

Конструктивные отличия электролизеров различной мощности требуют для каждого из них индивидуальных комплектов основных, запасных деталей и узлов, приспособлений для сборки, наладки, ремонта и обслуживания. Электролизеры, изготовленные по одной и той же конструктивной схеме, но имеющие различные геометрические размеры, не схожи по своим электрохимическим характеристикам. Это обуславливает необходимость разрабатывать для каждого типа и вида электролизера специальные правила эксплуатации.

Сборка и разборка электролизеров большой мощности связаны со значительными затратами труда и материалов.

В прикладной электрохимии известно обеспечение заданной производительности электрохимического процесса за счет выполнения электролизера сборным из отдельных ячеек, содержащих электроды и диафрагмы, при однократном протоке электролита через ячейку. Недостатком известного решения является то, что электрохимические ячейки содержат плоские электроды, и, следовательно, для обеспечения нормальной работы предъявляются большие требования к строгой параллельности электродов при сборке устройства.

Возможно обеспечение требуемой производительности за счет увеличения числа однотипных ячеек, однако известная по прототипу конструкция, использующая фиксированные положения подающих и отводящих патрубков накладывает дополнительные ограничения на возможность монтажа установок, содержащих большое количество ячеек.

Целью изобретения является упрощение конструкции, снижение трудозатрат при сборке и разборке устройства, а также расширение функциональных возможностей за счет обеспечения различной производительности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для электрохимической обработки воды, содержащем электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных стержневого и цилиндрического электродов, последний из которых установлен в диэлектрических втулках, керамической диафрагмы, коаксиально размещенной между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры, причем в нижней и верней втулках выполнены каналы для подвода и отвода обрабатываемой воды в камеру цилиндрического электрода, снабженные патрубками, и источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, а также приспособления для подачи и отвода обрабатываемой воды в электродные камеры электрохимической ячейки, устройство дополнительно содержит верхнюю и нижнюю диэлектрические коллекторные головки, имеющие одинаковый диаметр с втулками и установленные с возможностью поворота, а также содержит приспособления для фиксации головок, причем в нижней и верхней головках выполнены каналы со штуцерами для подвода и отвода обрабатываемой воды в камеру стержневого электрода, стержневой электрод закреплен в головках с помощью упругих уплотнений, головки соединены с втулками с помощью пазовых соединений, а диафрагма закреплена с помощью упругих прокладок, расположенных в пазовых соединениях, штуцеры втулок и головок соединены с приспособлением для подачи и отвода обрабатываемой воды в камере ячейки.

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 с большим диаметром расположена на уровне, ограниченном каналами в верхней и нижней диэлектрических головках. Стержневой электрод может быть выполнен переменного сечения и диаметр его концевых частей составляет 0,75 диаметра его средней части. Длина средней части стержневого электрода может быть больше длины цилиндрического электрода, и может быть расположена на уровне, ограниченном каналами в верхней и нижней диэлектрических головок, а может быть и меньше длины цилиндрического электрода. Конкретное соотношение длин цилиндрического электрода и средней части стержневого определяется в зависимости от условий решаемой задачи и используемой поляризации электродов. Так, в том случае, когда цилиндрический электрод является анодом, целесообразно использовать стержневой электрод, длина средней части которого с большим диаметром меньше длины цилиндрического электрода.

Стержневой электрод может быть выполнен в виде одной сплошной детали или полым внутри, составным из нескольких деталей, которые могут быть выполнены из одного или разных материалов и соединены между собой при помощи различных методов (в зависимости от материала), как то сварка лучом лазера, вакуумная сварка, механическое соединение и т. п. На концевых частях стержневого электрода выполнена резьба, что позволяет разместить приспособления для фиксации головок, которые могут быть выполнены в виде прижимных шайб и гаек.

Приспособления для фиксации головок могут быть выполнены в виде прижимных шайб и гаек, расположенных на концевых частях стержневого электрода.

Материалы диафрагмы, электродов выбираются, исходя из условий решаемой задачи. Могут использоваться материалы, указанные в заявке PCT WO 93/20014, однако могут и использоваться материалы диафрагмы с другими добавками, например, диафрагма электрохимической ячейки может быть выполнена из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия и содержать добавки таких оксидов, как оксид ниобия, тантала, титана, гадолиния, гафния и др. В зависимости от назначения ячейки ее диафрагма может быть выполнена ультра-, микро-, или нанофильтрационной. В случае, если конструкцией устройства не предусмотрена переполюсовка электродов и задана фиксированная их полярность при работе, то в качестве анодных материалов могут использоваться титановые электроды с покрытием из смеси диоксида рутения и диоксида титана (ОРТА), или титановые электроды с покрытием благородными металлами, с покрытиями и оксидов марганца, олова, кобальта. В качестве катодных материалов могут использоваться полированные титан, тантал или цирконий, покрытие пирографитом или стеклоуглерод, и другие. В случае использования переключения полярности электродов могут применяться титановые электроды с покрытием из платины или с платино-иридиевым покрытием. Могут использоваться различные сочетания перечисленных материалов и другие, известные в прикладной электрохимии.

Размеры ячейки определяются также исходя из условий решаемой задачи, хотя границы изменения размеров, например, цилиндрического электрода, можно определить как 50 240 мм, что охватывает возможный спектр применения предложенного устройства.

Снабжение устройства коллекторными головками, имеющими каналы для подвода и отвода обрабатываемой воды в камере стержневого электрода, и установка головки с возможностью поворота значительно облегчают компановку установок большой мощности из модулей, так как позволяет компактно размещать модули, регулируя положение относительно корпуса модуля патрубков ввода и вывода камеры стержневого электрода.

Приспособление для фиксации, выполненное в виде прижимной шайбы и гайки, помимо закрепления коллекторной головки в определенном положении позволяет уплотнить конструкцию, обеспечить ее герметичность.

Для замены модуля в установке достаточно отсоединить его патрубки от подводящих и отводящих линий без разборки каких-либо других элементов установки.

Выполнение стержневого электрода с переменным сечением позволяет оптимизировать гидродинамику устройства. При размещении средней части стержневого электрода с большим диаметром на уровне каналов в головках, оптимальным размером диаметра концевых частей является 0,75 диаметра его средней части, что обеспечивает наилучший гидравлический режим в этом случае. Кроме того, выполнение стержневого электрода переменного сечения позволяет различным образом разместить упругие уплотнения, с помощью которых этот электрод фиксируется в ячейке, увеличивая надежность уплотнения и обеспечивая строгую соосность электродов.

На фиг. 1 представлен общий вид электрохимической ячейки в разрезе.

На фиг. 2 5 представлены варианты конструктивного выполнения крепления стержневого электрода в коллекторных головках.

Ячейка (фиг. 1) состоит из коаксиальных внешнего цилиндрического электрода 1, внутреннего стержневого электрода 2 и керамической диафрагмы 3 между ними. Внешний электрод герметично и жестко закреплен в нижней и верхней диэлектрических втулках 4 и 5. С втулками соединены нижняя и верхняя диэлектрические коллекторные головки 6 и 7. В головках выполнены также осевые каналы, в которые входят концевые части внутреннего электрода 2. Диафрагма 3 зафиксирована в головках с помощью прокладок 8 и 9. Внутренний электрод 2 фиксируется с помощью упругих уплотнений 10 и 11. На концах электрода выполнена резьба и размещены прижимные шайбы 12 и 13 и гайки 14 и 15.

Нижняя 4 и верхняя 5 втулки выполнены соответственно с каналами 16 и 17 для подвода и отвода обрабатываемой воды в камеру цилиндрического электрода 1. Каналы 16 и 17 выведены на боковую поверхность втулок и снабжены штуцерами 18 и 19.

Коллекторные головки 6 и 7 соединены с втулками с помощью пазовых соединений 20 и 21. Головки выполнены с каналами для подвода 22 и отвода 23 обрабатываемой воды в камеру стержневого электрода 2. Каналы выведены на боковую поверхность головок и снабжены штуцерами 24 и 25. Упругие прокладки 8 и 9 размещены в пазовых соединениях 20 и 21.

Сборка и герметизация ячейки производится после определения необходимого положения головок при стягивании втулок и головок к торцам внешнего электрода 1 гайками 14 и 15 с шайбами 12 и 13 на концах внутреннего электрода 2.

В зависимости от конструктивного выполнения внутреннего электрода изменяется положение и выполнение уплотнений 10 и 11.

Так, при выполнении внутреннего электрода 2 и осевого канала головки 7 таким образом, что средняя часть электрода образует с осевым каналом головки пазовое соединение (фиг. 2), уплотнение 11 располагается в пазовом соединении в месте, где происходит сопряжение изменяющихся диаметров средней и концевой частей электрода 2 и диаметров участков осевого канала. В этом случае на уплотнение действуют более равномерные нагрузки, что снижает вероятность его деформации. Уплотнение 10 аналогично установлено в головке 6.

При выполнении осевого канала головки 7 и внутреннего электрода 2 таким образом, что они образуют пазовое соединение в местах сопряжения диаметров, в верхней части электрода 2 выполнены канавки, в которых расположены уплотнения 11 (фиг. 3). На фиг. 3 показан вариант выполнения электрода 2 составным, из полого цилиндра 26 и соединенного с ним концевой частью 27.

Если осевой канал головки 7 выполнен с диаметром, равным диаметру концевых частей внутреннего электрода 2, то на концевых частях могут быть выполнены канавки, в которых и устанавливаются уплотнения 11 (фиг. 4), или осевой канал головок может быть выполнен с расширением, расположенным на торце, в котором устанавливаются уплотнения 1 и дополнительные прижимные шайбы 28 (фиг. 5).

Обрабатываемая вода и/или раствор раздельными потоками подаются и выводятся из электродных камер. Обработка происходит во время однократного протока обрабатываемой среды снизу вверх через камеры ячейки.

Устройство работает следующим образом. Исходная обрабатываемая вода из емкости по водопроводным коммуникациям раздельно подается через регуляторы расхода в анодную и катодную камеры ячейки. С помощью расходомера устанавливаются необходимые соотношения объемных расходов католита и анолита. Включается источник тока (например ИП-2). После проведения электрохимической обработки из ячейки по отдельным трубопроводам анолит и католит поступают в емкости-накопители. Электрохимическая обработка воды производится во время ее однократного протока снизу вверх в катодной и анодной камере ячейки.

На основе предложенного устройства для электрохимической обработки воды созданы различные установки.

В таблице представлены технические характеристики устройств с различным числом электролитических ячеек.

Изобретение также иллюстрируется следующими примерами, которые однако не исчерпывают всех возможностей реализации изобретения. Во всех примерах, если это не оговорено особо, использовалась ультрафильтрационная диафрагма из керамики состава: оксид циркония 60 мас. оксид алюминия 27 мас, и оксид иттрия 3 мас.

Пример 1. В процессе обеззараживания воды использовалась ячейка, цилиндрический электрод которой был подключен к отрицательному полюсу источника тока и выполнен из полированного титана. Стержневой электрод выполнен из титана с диоксидно-марганцевым покрытием и подключен к положительному полюсу источника тока. Длина цилиндрического электрода 80 мм. Межэлектродное расстояние составляет 2,9 мм. Диаметр средней части стержневого электрода 9,0 мм, а длина средней части 86 мм. Диафрагма выполнена цилиндрической с толщиной стенок по всей длине 0,5 мм. На обработку подавалась вода с общим солесодержанием 0,5 г/л и количеством микроорганизмов 10⁵ колоний на мл. После обработки солесодержание воды не изменилось, а микроорганизмы не обнаружены.

Как показывают приведенные данные, использование ячейки с размерами, близкими к приведенным в примере, целесообразно в переносных устройствах, обеспечивающих получение обеззараженной воды в полевых условиях.

Пример 2. В процессе получения дезинфицирующих растворов использовалась ячейка, содержащая цилиндрический электрод, выполненный из стеклоуглерода и подключенный к отрицательному полюсу источника тока, стержневой электрод, выполненный из титана с покрытием диоксидом рутения и подключенный к положительному полюсу источника тока. Длина цилиндрического электрода 240 мм, длина средней части стержневого электрода 250 мм, а диаметр средней части 10 мм. Межэлектродное расстояние составляет 3 мм. Диафрагма выполнена цилиндрической с толщиной стенок 0,6 мм. Обработке подвергался раствор хлорида натрия концентрацией 2 г/л, при расходе его через анодную камеру 30 л/час, а через катодную 5 л/час. На выходе из анодной камеры получен раствор, имеющий pH 6,0 и окислительно-восстановительный потенциал плюс 800 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения, а на выходе из катодной камеры раствор с pH 8,6 и окислительно-восстановительным потенциалом минус 600 мВ. Расход энергии составил 0,95 кВт.час/куб.м. что ниже, чем в прототипе.

Предложенное решение 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, по сравнению с прототипом предложенное устройство имеет более простую и эффективную систему гидравлической обвязки, которая не включает в себя использование многоходовых кранов. Также необходимо отметить, что функциональные возможности предложенного устройства шире за счет конструктивных особенностей, т. е. использования унифицированных блоков, что позволяет собирать установки различной производительности в зависимости от условий решаемых задач.