электролизер для получения озона

Формула изобретения

Электролизер для получения озона, содержащий корпус с размещенными в нем анодом и катодом, устройства для подачи и отвода электролита и газа, отличающийся тем, что корпус снабжен перегородкой, выполненной в виде кольца с жестко закрепленной в ней диафрагмой из фторполимерной или перхлорвиниловой ткани, разделяющей корпус на анодное и катодное пространства, и снабженной в нижней части отверстием, анодное и катодное пространства снабжены дополнительными кольцевыми перегородками, размещенными со стороны диафрагмы параллельно ей и выполненными с центральным отверстием и отверстиями по периметру, расположенными под углом к поверхности перегородок, и устройствами для каплеулавливания, анод и катод выполнены в виде усеченных полых конусов из стеклоуглерода, размещенных горизонтально и обращенных меньшими основаниями друг к другу, при этом меньшие основания анода и катода установлены в центральных отверстиях дополнительных перегородок, корпус дополнительно снабжен прижимной крышкой со штуцерами подачи и отвода охлаждающей воды, соединенными с полостями анода и катода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрохимическим производствам, а именно к электрохимическому получению озона в диафрагменном электролизере путем электролиза водных растворов электролитов. Предлагаемый электролизер может быть использован в любой отрасли промышленности, применяющей озон для различных целей (окисления, обезвреживания воды, помещений и так далее).

Известно устройство генератора озона, отличающегося эффективностью. В этом устройстве внутренний высоковольтный электрод представляет собой сплошной или полый шестигранный металлический стержень, на сторонах которого сделана насечка. Внешний металлический электрод имеет форму кругового цилиндра (труба) и расположен соосно с первым электродом; снаружи он охлаждается проточной водой. Между электродами помещена стеклянная трубка. Под воздействием высокого напряжения между электродами возникает тихий электрический разряд. В разрядные промежутки направляется газовый поток, содержащий O₂, который частично превращается в O₃.

Недостатки этого решения: низкая концентрация O₃ в газовом потоке, разрушение стеклянных деталей под воздействием вибраций, подвод источника высокого напряжения.

Прототипом данного изобретения является электролизер, используемый для получения O₃. В его конструкцию входят герметичная ячейка, в которую помещены электроды: катод представляет собой Pt-сетку, на которую нанесен катионит, анод PвO₂ на Ti платинированном. Ячейка снабжена газоотводными трубками и отверстиями для ввода и вывода воды (электролита). Озон реализуется в результате электрохимического процесса разложения воды с участием ионообменной смолы.

Недостатком этого известного электролизера является использование дорогостоящего материала, сложность изготовления рабочего элемента (электродов), недостаточный выход по току вещества (почти 20%).

Задачей изобретения является создание электролизера упрощенной конструкции с применением дешевых химически стойких материалов для получения высококонцентрированной озонокислородной смеси.

Задача решается путем использования электролизера конструкции, изображенной на чертеже, в результате появления новых отличительных признаков, разработанных данным изобретением:

1. Применяются анод и катод из стеклоуглерода, выполненные в виде усеченных полых конусов (ТУ 4820-117-82), помещенные в корпус электролизера с фиксацией прижимной крышкой, имеющей ввод и вывод для охлаждающей воды.

2. Электроды 2, 3 устанавливаются горизонтально, обращенные меньшим основанием друг к другу на расстоянии 5-7 мм (допускается до 10 мм).

3. Диафрагма 4 (фторполимерная или термообработанная перхлорвиниловая ткань) закрепляется жестко в кольце перегородке, в нижней части которой имеется отверстие 6-8 мм для перетекания электролита.

4. "Экранирование" боковых поверхностей электродов 2 и 3 производится с помощью дополнительных перегородок 8а, 8в, которые устанавливаются герметично и перпендикулярно боковой поверхности тиглей и имеют посадочные отверстия под дно тигля. По периметру наружной окружности дополнительных перегородок имеется множество отверстий o 4-6 мм, служащих для подвода электролита к поверхности электрода и отвода газообразных продуктов.

5. На газоотводных штуцерах монтируются каплеуловители 9а, 9в для возврата электролита. Совокупность этих признаков предлагаемой конструкции создает стабильную, надежную работу электролизера, позволяет увеличить срок службы аппарата (в 2 раза) за счет переполюсовки электродов, так как устройство симметрично, а также получить газовый поток озона высокой концентрации: m% 13-46, а V% 9-34% O₃.

Электролизер, изображенный на чертеже, состоит из следующих деталей:

1 озонатора из ПВХ (или фторопласта) со штуцерами нижней части; 2, 3 - стеклоуглеродные электроды ТУ 4820-117-82; 4 диафрагма (фторполимерная, перхлорвиниловая); 5, 6 медные токоподводы электродов; 7 кольцо-перегородка для крепления диафрагмы; 8а, 8в дополнительные перегородки из ПВХ для электродов; 9а, 9в каплеуловители (2 шт.); 10 - прозрачная полимерная трубка для контроля уровня электролита; 11 гайка (4 шт.); 12 шпилька (4 шт.); 13 герметизирующая прокладка камеры водяного охлаждения; 14 прижимная крышка со штуцерами ввода и вывода охлаждающей воды; 15 герметизирующая прокладка электролит-электрод.

Электролизер работает следующим образом. В электролизер 1 заливается насыщенный водный раствор кислого фтористого аммония (или калия) через каплеуловитель 9а или 9в и трубку уровня 10. При включении источника питания ток подается на медные токоподводные пластины 5 и 6, которые имеют контакт со стеклоуглеродными электродами 2 и 3. Одновременно подается охлаждающая вода в полость электродов 2 и 3 через штуцера прижимной крышки 14.

Начинается процесс электролиза, сопровождающийся выделением на отрицательном электроде 2 водорода, который отводится через каплеуловитель 9а, а на аноде 3 идет образование газовой смеси O₂+O₃, которая отводится через каплеуловитель 9в. В начальный момент процесса электролиза на рабочей поверхности анода 3 наблюдается увеличение угла смачивания (> 90%) за счет, вероятно, происходящего поверхностного фторирования стеклоуглерода, что приводит к резкому повышению износостойкости и долговечной работе анода благодаря образовавшейся токоподводной фторуглеродной пленке. Диафрагма 4 выполняет функцию разделения газов H₂ и O₂+O₃ и не препятствует диффузии ионов электролита. Газообразные продукты, выделяющиеся на поверхности электродов 2 и 3, поднимаясь вверх, способствуют перемешиванию электролита и проходя через множество отверстий дополнительных функциональных перегородок 8а и 8в оставляют увлеченный электролит (за счет удара о стенку корпуса благодаря угловой направленности отверстий). Газ, проходя через каплеуловитель 9а и 9в, полностью освобождается от следов электролита. Дополнительные перегородки 8а и 8в надежно изолируют боковую поверхность электродов 2 и 3 от протекания электролиза из-за очень малой плотности тока на этой поверхности (подаваемый ток полностью реализуется в межэлектродном зазоре). Таким образом, дополнительные функциональные перегородки 8а и 8в увеличивают плотность тока на рабочей поверхности электрода, а это в свою очередь приводит к образованию озона высокой концентрации. При работе электролизера происходит постоянное колебание электролита (автоколебательный процесс) перетекание электролита туда и обратно через отверстие в кольце-перегородке 7, что выравнивает pH и предотвращает защелачивание католита, а также износ электрода. При длительной работе электролизера наблюдается падение уровня электролита, что требует дополнительного ввода дистиллированной воды через каплеуловители 9а и 9в.

Предлагаемый электролизер при создаваемой плотности тока 1,6-1,8 А/см² и температуре 15^oC обеспечивает массовую концентрацию озона в газовой смеси до 42% При снижении температуры электролита путем более эффективного охлаждения можно достичь повышения производительности за счет увеличения плотности тока.

Электролизер характеризуется компактностью, малым весом (0,8-1,0 кг), обеспечивает стабильное и безопасное течение электрохимического процесса с выходом по току выше 40%