установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды

Формула изобретения

1. Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды, содержащая вертикально установленные полый цилиндрический и стержневой электроды с трубчатой пористой диафрагмой между ними, разделяющей межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную, каждая из них имеющая патрубки для раздельного подвода и отвода электрохимически обработанной воды с отрицательным и положительным потенциалами, источник тока, соединенный через узел коммутации с электродами, смонтированными неподвижно и коаксиально совместно с диафрагмой, изолированными посредством втулок из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец, размещенных на резьбовых частях стержневого анода, отличающаяся тем, что внутренний диаметр полого цилиндрического катода и диаметр стержневого анода устанавливают из следующих зависимостей:

а величину скорости движения воды в катодной камере - из выражения

где D_к - внутренний диаметр полого цилиндрического катода, мм;

k - коэффициент пропорциональности, ;

Q - максимальная производительность установки, м ³/с;

Н₀ - напор воды перед входом в катодную камеру, м;

L - длина катодной камеры, м;

k₁ - коэффициент пропорциональности, м^-1;

₁ - зазор между внутренней поверхностью полого цилиндрического катода и диафрагмой, ₁ 0,004 м;

₂ - зазор между поверхностью анода и внутренней поверхностью диафрагмы, ₂ 0,004 м;

D_a - диаметр стержневого анода, м;

- толщина диафрагмы, м;

V_к - скорость движения воды в катодной камере, м/с;

D_d=(D_к -2 ₁) - внешний диаметр диафрагмы, м;

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что входной патрубок катодной камеры выполнен в виде полого цилиндра, длину которого определяют из зависимости l_1вx 3d_1вx, а его внутренний диаметр d _1вx=0,908 D_к, где l_1вx - длина входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м; d_1вx - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м; D_к - внутренний диаметр полого цилиндрического катода.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выходной патрубок катодной камеры выполнен в виде усеченного полого конуса, длину которого устанавливают из зависимости l_2вых 3d_2вых, а диаметры конуса d_1вых =0,454 D_к и d_2вых=0,908 D_к, где l_2вых - длина выходного патрубка катодной камеры, м; d_1выx - наименьший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м; d_2вых - наибольший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м; D_к - внутренний диаметр полого цилиндрического катода установки, м.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что длину входного цилиндрического патрубка анодной камеры принимают из соотношения l_3вх =3d_3вх, а его внутренний диаметр устанавливают из соотношений d_3вх=0,68 D_к, где l_3вх - длина входного патрубка анодной камеры, м; d_3вх - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка анодной камеры, м; D_к - внутренний диаметр цилиндрического катода, м.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выходной цилиндрический патрубок анодной камеры имеет длину l_4вых 3d_4вых, с внутренним диаметром d_4вых =0,454 D_к. где l_4вых - длина выходного патрубка анодной камеры установки, м; d_4вх - внутренний диаметр выходного цилиндрического патрубка анодной камеры установки, м; D_к - внутренний диаметр цилиндрического катода, м.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что перед входными патрубками катодной и анодной камер смонтированы манометр и вентиль для регулирования расхода воды.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что патрубки для отвода воды из катодной и анодной камер снабжены расходомерами и вентилями для изменения величины расхода активированной воды.

8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диафрагма выполнена из трубчатого полипропилена с радиальными отверстиями на внешней поверхности.

9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что отверстия в диафрагме выполнены диаметром 1÷ 8 мм с шагом:

для отверстий диаметром 4÷ 8 мм - 15 мм;

для отверстий диаметром 2÷ 4 мм - 8 мм;

для отверстий диаметром 1÷ 2 мм - 6 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к техническим средствам для электрохимической активации питьевой и оросительной воды с обеспечением ее окислительно-восстановительных свойств и повышения биологической ценности.

Известен электролизер для обработки воды, содержащий корпус, разделенный диафрагмой на анодную и катодную камеры с размещенными в них перфорированными электродами, прижатыми к диафрагме, при этом поверхность электродов, обращенная к диафрагме, покрыта электроизоляционным материалом, а перфорация электродов выполнена соосно (SU, авторское свидетельство №882944 А, М.Кл.³ С 02 F 1/46. Электролизер для обработки воды. / В.Л.Филипчук, И.Г.Лирисман и Ф.В.Косовцев. - Заявка №2768972/23-26; Заявлено 21.05.1979; Опубл. 23.11.1979, Бюл. №43).

К недостаткам известного устройства относятся низкая производительность, отсутствие возможности получения непрерывного потока воды, а также регулирования расхода воды с отрицательным и положительным потенциалами.

Известен также электролизер для обработки воды, включающий корпус, разделенный диафрагмой на анодную и катодную камеры с размещенными в них анодом и катодом, при этом на поверхности электродов со стороны межэлектродного пространства установлены вертикальные ребра, прижимающие диафрагму к поверхности противоположного электрода, причем на аноде и катоде ребра установлены в чередующемся порядке и выполнены из токопроводящего материала (SU, авторское свидетельство №1468867 А1, МПК⁴ С 02 F 1/46. Электролизер для обработки воды. / В.М.Рогов, В.А.Кирсанов, В.Н.Анопольский, В.А.Швороб, Н.С.Кирилюк и А.М.Сережина - Заявка №4211825/23-26; Заявлено 18.03.1987; Опубл. 30.03.1989, Бюл. №12).

Существенный недостаток устройства, имеющего плоскопараллельные электроды, заключается в принципиальной непригодности для использования в процессах электрохимической обработки воды или растворов, минерализация которых меньше 10 г/л. Это ранее не известное явление связано с образованием застойных зон и зон замедленного протока с увеличенной концентрацией продуктов электрохимических реакций, что приводит к непераспределению плотности тока по поверхности электродов и значительно ухудшает технические параметры электрохимического реактора. К другим недостаткам этого устройства относятся сложность конструкции, отсутствие возможности регулирования расхода воды, протекающей через катодные и анодные камеры, и создания заданного отрицательного и положительного потенциалов питьевой и оросительной воды.

Наиболее близким аналогом к заявленному объекту относится проточный электрохимический модульный элемент ПЭМ-3, содержащий вертикально установленные цилиндрический (трубчатый) и стержневой электроды (катод и анод), между которыми размещена трубчатая пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную, снабженных патрубками для раздельного подвода и отвода электрохимически обработанной воды с отрицательным и положительным потенциалами, источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, причем электроды (катод, анод) и диафрагма закреплены взаимно неподвижно, герметично и строго коаксиально при помощи втулок из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец, которые стягиваются посредством гаек с шайбами на резьбовых (концевых) частях стержневого анода (см., например, Бахир В.М. и др. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы. Под ред. д.т.н, проф. Бахира В.М. - М.: АМТН РФ, ВНИИИМТ, 1999. - С.24... 122).

К недостаткам этой установки, принятой нами- в качестве наиближайшего аналога, относятся высокая стоимость, недостаточная надежность и электробезопасность в процессе эксплуатации, необоснованность параметров установки в зависимости от ее максимальной производительности, отсутствие возможности регулирования расхода воды, протекающей через катодную и анодную камеры и создания заданного оптимального отрицательного и положительного потенциала подаваемой питьевой воды и на орошение, а также возможности смешивания католита и аналита в необходимой пропорции, обеспечивающей оптимальные условия для предпосевной обработки семян, роста и развития сельскохозяйственных культур.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение эффективности, надежности и электробезопасности установки для электрохимической активации питьевой и оросительной воды.

Технический результат - повышение качества питьевой и оросительной воды и, как следствие, урожайности сельскохозяйственных культур за счет обеспечения ее оптимальных окислительно-восстановительных и биологических свойств при электрохимической активации на предлагаемой установке.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной установке для электрохимической активации питьевой и оросительной воды, содержащей (в комплексе конструктивных элементов) вертикально установленные полый цилиндрический (трубчатый) и стержневой электроды (катод и анод), между которыми размещена трубчатая пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную, снабженных патрубками для раздельного подвода и отвода электрохимически обработанной воды с отрицательным и положительным потенциалами, источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, причем электроды (катод, анод) и диафрагма закреплены взаимно неподвижно, герметично и строго коаксиально при помощи втулок из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец, которые стягиваются посредством гаек с шайбами на резьбовых (концевых) частях стержневого анода, согласно изобретению диафрагма установки выполнена из недефицитного и недорогостоящего экологически совершенного материала - трубчатого полипропилена, по внешней поверхности которого просверлены радиальные отверстия диаметром 1... 8 мм с шагом: для отверстий диаметром 4... 8 мм - 15 мм; для отверстий диаметром 2... 4 мм - 8 мм; для отверстий диаметром 1... 2 мм - 6 мм, причем по внешней поверхности диафрагма покрыта плотно натянутым нетканым полотном по ТУ 17 РСФСР 62-11262-86 (состав, мас.%: полипропилен 70, полиэфир 30) или другим экологически приемлемым водостойким материалом; корпус установки являющийся катодом, выполнен из нержавеющей трубы пищевого назначения, на которую плотно установлена полипропиленовая труба соответствующего диаметра, герметично склеенная (термическим методом) с наружной поверхностью трубы - катода; внутренний диаметр полого цилиндрического катода и диаметр стержневого анода устанавливают из следующих зависимостей:

и

а величину скорости движения воды в катодной камере - из выражения

входной патрубок катодной камеры выполнен в виде полого цилиндра, длину которого определяют из зависимости а его внутренний диаметр - выходной патрубок катодной камеры выполнен в виде усеченного полого конуса, длину которого устанавливают из зависимости а диаметры конуса и длину входного цилиндрического патрубка анодной -камеры принимают из соотношения а его внутренний диаметр - выходной цилиндрический патрубок анодной камеры имеет длину с внутренним диаметром -

где d_к - внутренний диаметр полого цилиндрического катода, мм;

k - коэффициент пропорциональности, ;

Q - максимальная производительность установки, м ³/с;

Н₀ - напор воды перед входом в катодную камеру, м;

L - длина катодной камеры, м;

k₁ - коэффициент пропорциональности, м^-1;

₁ - зазор между внутренней поверхностью полого цилиндрического катода и диафрагмой, ₁ 0,004 м;

₂ - зазор между поверхностью анода и внутренней поверхностью диафрагмы, ₂ 0,004 м;

D_a - диаметр стержневого анода, м;

- толщина диафрагмы, м;

V_к- скорость движения воды в катодной камере, м/с;

l_1вx - длина входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м;

d_1вx - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м;

l _2вых - длина выходного патрубка катодной камеры, м;

d_1выx - наименьший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м;

d _2выx - наибольший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м;

l_3вх - длина входного патрубка анодной камеры, м;

d_3вх - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка анодной камеры, м;

l_4вых - длина выходного патрубка анодной камеры установки, м;

d_4вх - внутренний диаметр выходного цилиндрического патрубка анодной камеры установки, м;

при этом патрубки для отвода воды из катодной и анодной камер снабжены расходомерами и вентилями для регулирования величины расхода активированной воды, а на подводящем участке водопровода перед входными патрубками катодной и анодной камер установлен манометр для определения гидравлического напора и вентиль.

Изобретение поясняется иллюстрационным материалом.

На фиг.1 представлена схема установки для электрохимической активации питьевой и оросительной воды; на фиг.2 - электрохимический активатор модульного типа.

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного изобретения, заключаются в следующем.

Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды (см. фиг.1) состоит из напорного источника 1 обрабатываемой воды, из электролитического элемента модульного типа 2, выполненного в виде диафрагменного цилиндрического электролизера, перед входными патрубками 3, 4 которого установлены манометр 5 и вентиль 6, а выходные патрубки 7, 8 оборудованы вентилями 9, 10 и расходомерами 11, 12, из источника тока 13, соединенного с клеммой анода 14 и с клеммой катода 15 через узел коммутации, включающий разделительный трансформатор 16, регулятор напряжения 17, диодный мост 18, вольтметр 19, амперметр 20.

Основным конструктивным узлом установки для получения электрохимически активированной питьевой и оросительной воды (см. фиг.2) является диафрагменный электролизер 2 с вертикально установленными цилиндрическими электродами: стержневым анодом 21 и трубчатым катодом 22, выполненных из нержавеющей стали пищевого назначения, между которыми размещена тонкостенная трубчатая пористая диафрагма 23, выполненная, например, из недефицитного и недорогостоящего экологически чистого совершенного материала - трубчатого полипропилена, по внешней поверхности которого просверлены радиальные отверстия диаметром от 1 до 8 мм с шагом: для отверстий диаметром 4... 8 мм - 15 мм; для отверстий диаметром 2... 4 мм - 8 мм; для отверстий диаметром 1... 2 мм - 6 мм, причем по внешней поверхности диафрагма покрыта плотно натянутым нетканым полотном по ТУ 17 РСФСР 62-11262-86 (состав, мас.%: полипропилен 70, полиэфир 30) или другим экологически приемлемым водостойким материалом, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную 24 и катодную 25. Электроды 21, 22 и диафрагма 23 закреплены взаимно неподвижно, герметично и строго коаксиально при помощи втулок 26 из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец 27, 28, 29. Все уплотнения в диафрагменном электролизере герметизируются при стягивании электродов 21 и 22, диафрагмы 23, втулок 26 и головок 30 при помощи гаек 31 с шайбами 32 на резьбовых (концевых) частях анода 21. Каждая втулка снабжена патрубками для гидравлического сообщения с соответствующей электродной камерой: через патрубки 3, 7 обеспечивается проток воды в катодной камере 25, через патрубки 4, 8 - в анодной камере 24. На клеммах 14 анода и клеммах 15 катода имеются гайки 33 с шайбами 34 для обеспечения электрического контакта.

Внутренний диаметр полого цилиндрического катода 22 и диаметр стержневого анода 21 устанавливают из следующих зависимостей:

и

а величину скорости движения воды в катодной камере 23 определяют из выражения

где D_к - внутренний диаметр полого цилиндрического катода, мм;

k - коэффициент пропорциональности, ;

Q - максимальная производительность установки, м ³/с;

Н₀ - напор воды перед входом в катодную камеру, м;

L - длина катодной камеры, м;

k₁ - коэффициент пропорциональности, м^-1;

₁ - зазор между внутренней поверхностью полого цилиндрического катода и диафрагмой, ₁ 0,004 м;

₂ - зазор между поверхностью анода и внутренней поверхностью диафрагмы, ₂ 0,004 м;

D_a - диаметр стержневого анода, м;

- толщина диафрагмы, м;

V_к - скорость движения воды в катодной камере, м/с;

Входной патрубок катодной камеры выполнен в виде полого цилиндра, длину которого определяют из зависимости а его внутренний диаметр -

где l_1вх - длина входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м;

d_1вx - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м;

D _к - внутренний диаметр полого цилиндрического катода, м.

Выходной патрубок катодной камеры выполнен в виде усеченного полого конуса, длину которого устанавливают из зависимости а диаметры конуса

и

где l_2вых - длина выходного патрубка катодной камеры, м;

d_1выx - наименьший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м;

d_2выx - наибольший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м;

D _к - внутренний диаметр полого цилиндрического катода установки, м.

Длину входного цилиндрического патрубка анодной камеры принимают из соотношения

а его внутренний диаметр устанавливается из соотношения

где l_3вх - длина входного патрубка анодной камеры, м;

d_3вx - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка анодной камеры, м;

D_к - внутренний диаметр цилиндрического катода, м. Выходной цилиндрический патрубок анодной камеры имеет длину

с внутренним диаметром -

где l_4вых - длина выходного патрубка анодной камеры установки, м;

d_4вx - внутренний диаметр выходного цилиндрического патрубка анодной камеры установки, м;

d_к - внутренний диаметр цилиндрического катода, м.

Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды работает следующим образом.

Обрабатываемая вода из напорного источника 1 под рабочим давлением от 0,2 МПа до 0,8 МПа подается через патрубки 3 и 4 в катодную 25 и анодную 24 камеры. При подаче потенциала напряжением 24 В на клемму 14 анод и клемму 15 катод в камерах 24 и 25 начинается процесс электролиза воды. Под действием электрического тока на аноде 21 происходит разряд молекул воды с образованием H⁺ и газообразного кислорода. На катоде 22 происходит разряд молекул воды с образованием ионов ОН^- и газообразного водорода. Вследствие этого в анодной камере 24 получают анолит с рН 2,7... 4,5 и окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП), равным +400... 1100 мВ, а в катодной камере 25 - католит с рН 10,9... 11,8 и ОВП в пределах -150... -1050 мВ.

При капельном орошении овощных культур, в частности томата сорта “Новичок”, урожайность с контролем увеличилась до 50% при той же норме расхода поливной воды на 1 га.

ПРИМЕР. Максимальная производительность установки для электрохимической активации питьевой и оросительной воды составляет Q=1,08 м ³/час, напор воды перед входом в катодную камеру Н ₀=30 м вод. ст., длина катодной камеры L=0,5 м, зазор между внутренней поверхностью полого цилиндрического катода и диафрагмой ₁=0,004 м, зазор между поверхностью анода и внутренней поверхностью диафрагмы ₂=0,004 м, толщина диафрагмы =0,002 м.

Перед входными патрубками 3 и 4 катодной и анодной камер смонтированы манометр 5 и вентиль 6 для регулирования расхода воды.

Патрубки 7 и 8 для отвода воды из катодной и анодной камер 24 и 25 снабжены расходомерами 11 и 12 и вентилями 9 и 10 для изменения величины расхода активированной воды.

Диафрагма 23 выполнена из трубчатого полипропилена с радиальными отверстиями на внешней поверхности диаметром 1... 8 мм с шагом: для отверстий диаметром 4... 8 мм - 15 мм; для отверстий диаметром 2... 4 мм - 8 мм; для отверстий диаметром 1... 2 мм - 6 мм.

Внутренний диаметр полого цилиндрического катода 22 установки для электрохимической активации составит

Диаметр стержневого анода 21 -

D_a=0,028 м-2(0,004 м+0,004 м+0,002 м)=0,008 м.

Внешний диаметр диафрагмы 23 -

D_d=0,028 м-2· 0,004 м=0,020 м.

Величина скорости движения воды в катодной камере 24 -

Внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка 3 катодной камеры 25 - d_1вx=0,908· 0,028 м=0,0254 м, а его длина l_1вх=3· 0,0254 м=0,076 м.

Диаметры выходного патрубка 7 катодной камеры 25, выполненного в виде усеченного полого конуса, составляют d_1вx=0,454· 0,028 м=0,0127 м, d_2вx=0,908· 0,028 м=0,0254 м, а его длина - l_2вх=3· 0,0254 м=0,076 м.

Внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка 4 анодной камеры 24 составляет d_3вх=0,68· 0,028 м=0,019 м, его длина - l_3вх=3· 0,019 м=0,057 м.

Внутренний диаметр выходного цилиндрического патрубка 8 анодной камеры 24 d_4выx=0,454· 0,028 м=0,0127 м, его длина - l_4вых=3· 0,0127 м=0,0381 м.

Таким образом, вышеприведенные сведения свидетельствуют о том, что предлагаемая установка позволяет повысить качество питьевой и оросительной воды и, как следствие, урожайность сельскохозяйственных культур за счет обеспечения ее оптимальных окислительно-восстановительных потенциалов и биологических свойств при электрохимической активации, а также повышения эффективности, надежности и электробезопасности в процессе эксплуатации установки.