устройство для электрохимической обработки жидкости

Формула изобретения

1. Устройство для электрохимической обработки жидкости, содержащее электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов, установленных в диэлектрических втулках, керамической диафрагмы, коаксиально установленной во втулках между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры, причем в нижней и верхней втулках выполнены каналы для подвода и отвода жидкости в камеру стержневого электрода, источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, линии подачи и отвода обрабатываемой жидкости, соединенные с приспособлениями для подачи и отвода обрабатываемой жидкости в электродные камеры электрохимической ячейки, отличающееся тем, что устройство содержит от трех до шестнадцати ячеек, в каждой из которых каналы во втулках выведены на их боковые поверхности, диафрагма выполнена ультрафильтрационной из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия, в верхней и нижней частях цилиндрического электрода выполнены отверстия для отвода и подачи обрабатываемой жидкости в камеру цилиндрического электрода, стержневой электрод выполнен переменного сечения с диаметром его концевых частей 0,75 диаметра его средней части, расположенной между отверстиями в верхней и нижней частях цилиндрического электрода, втулки и цилиндрический электрод выполнен с одинаковым внешним диаметром, на поверхности цилиндрического электрода соответственно над отверстием в нижней части и под отверстием в верхней части и на поверхности втулок соответственно под и над отверстиями каналов выполнены канавки, приспособления для подвода и отвода жидкости выполнены соответственно в виде нижнего и верхнего цилиндрических коллекторов из диэлектрического материала, причем каждый из коллекторов снабжен двумя системами каналов, несообщающихся между собой, и каждая система содержит осевой канал, выведенный на одну из торцевых поверхностей, снабженный рассекателем и соединенный с симметрично расположенными радиальными каналами, выведенными на боковую поверхность коллектора, причем осевые каналы нижнего и верхнего коллекторов соединены соответственно с линиями подачи и отвода обрабатывамой жидкости, и устройство содержит коллекторные колодки, в которых выполнены цилиндрические гнезда с подводящими и отводящими каналами, каждая ячейка сверху и снизу жестко закреплена в гнездах с помощью упругих прокладок, размещенных в канавках втулок и цилиндрического электрода, подводящие и отводящие каналы ячейки коллекторных колодок и коллекторов соединены в гидравлические системы, а узел коммутации соединен с электродами всех ячеек.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности цилиндрического электрода и боковых поверхностях втулок выполнены кольцевые углубления, в которых расположены отверстия для подачи и отвода жидкости.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что ячейки электрически соединены последовательно или параллельно или параллельно-последовательно.

4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что оно содержит регуляторы расхода, установленные на линии подачи и/или на линии отвода жидкости из электродных камер.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки жидкостей, например воды, с целью ее очистки или регулирования кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности, и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды (вплоть до получения питьевой воды из загрязненной), получения моющих и дезинфицирующих растворов или использоваться для обработки окисленных жиров.

В прикладной электрохимии используются электролизеры различных конструкций, обеспечивающие обработку жидкостей.

Известно также устройство для раздельного получения воды, обработанной в катодном и анодном камерах католита и анолита из подсоленной воды, использующихся соответственно в качестве моющего и обеззараживающего растворов в медицине.

Устройство включает в себя диафрагменный проточный электролизер с плоскими электродами и блок питания, совмещенный с блоком нправления. Недостатком известного решения является неудовлетворительная гидродинамика, смешение продуктов анодных и катодных электрохимических реакций при использовании диафрагмы большой протекаемости, а также большие затраты ручного труда при сборке и ремонте электролизера с плоскими электродами.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство для электролиза воды, которое cостоит из цилиндрического электролизера с коаксиально расположенными в диэлектрических втулках 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 втулках 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 устранения катодных отложений с одновременным переключением гидравлических линий, обеспечивающих постоянное поступление растворов из анодной и катодной камеры без смешения. Отмечено, что в процессе эксплуатации данного устройства возможно получение электрохимически обработанной воды с бактерицидными свойствами.

Недостатками известного решения являются большие энергопотери при обработке воды, особенно при обработке воды с изменяющейся во времени минерализацией. Чем шире диапазон возможных изменений минерализации воды, тем выше должна быть электрическая мощность используемого источника постоянного тока. Практически отсутствуют случаи, когда мощность источника тока полезно используется полностью.

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, а также требуют 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 требует разработки для каждого типа и вида электролизера специальных правил эксплуатации.

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

В электролизерах большой мощности диафрагма и электроды, имеющие развитую поверхность, испытывают значительные деформирующие усилия при изменениях давления и скорости потоков воды. Это снижает надежность и долговечность конструкции, приводит к ухудшению технических характеристик из-за нарушения геометрической формы электродных камер. Особенно сильно такое ухудшение проявляется при обработке воды с малым солесодержанием, поскольку возникают саморазвивающиеся процессы локального концентрирования продуктов электролиза, которые сопряжены с образованием застойных зон, местных разогревов и появлением "пятнистой" проводимости.

Целью настоящего изобретения является сниже ние энергозатрат, упрощение конструкции, снижение трудозатрат при сборке и разборке устройства, а также расширение функциональных возможностей за счет упрощения и унификации гидравлической схемы устройства.

Поставленная цель решается тем, что в устройстве для электрохимической обработки жидкости, содержащем электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов, установленных в диэлектрических втулках, керамическую диафрагму, коаксиально установленную на втулках между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, причем в нижней и верхней втулках выполнены каналы для подвода и отвода обрабатываемой жидкости в камеру стержневого электрода, источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, а также приспособления для подачи и отвода обрабатываемой жидкости в электродные камеры электрохимической ячейки, устройство содержит от 3 до 16 ячеек, каналы во втулках выведены на боковые поверхности втулок, в верхней и нижней частях цилиндрического электрода выполнены отверстия для отвода и подачи обрабатываемой жидкости в камеру цилиндрического электрода, ограничивая рабочую часть камеры, стержневой электрод выполнен переменного сечения и диаметр его концов составляет 0,75 диаметра его средней части, причем стержневой электрод установлен таким образом, что его средняя часть с большим диаметром расположена на уровне, ограниченном отверстиями в верхней и нижней частях цилиндрического электрода, диафрагма выполнена ультрафильтрафильтрационной из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия.

Кроме того, диэлектрические втулки и цилиндрический электрод выполнены с одинаковым внешним диаметром, на поверхности цилиндрического электрода соответственно над отверстием в нижней части и под отверстием в верхней части и на поверхности втулок соответственно под и над отверстиями каналов выполнены канавки, приспособления для подвода и отвода воды выполнены соответственно в виде нижнего и верхнего цилиндрических коллекторов из диэлектрического материала.

Коллекторы снабжены двумя системами несообщающихся каналов, каждая из которых содержит осевой канал, выведенный на торцевую поверхность коллектора, снабженный рассекателем и соединенный с системой симметрично размещенных радиальных каналов, которые соединены с коллекторными колодками. В коллекторных колодках выполнены гнезда с подводящими и отводящими каналами, и ячейка жестко закреплена в гнездах с помощью упругих прокладок, размещенных в канавках втулок и цилиндрического электрода, причем подводящие и отводящие каналы ячейки, коллекторов и коллекторных головок соединены гидравлически. Ячейки, установленные в гнездах, соединены параллельно гидравлически, а узел коммутации соединен с электродами всех ячеек, причем ячейки электрически соединены последовательно, или параллельно, или последовательно-параллельно.

Такое выполнение позволяет упростить конструкцию, обеспечить сборку электролизеров различной производительности с минимальными затратами и стабильностью характеристик. Кроме того, такое выполнение позволяет легко комплектовать устройство требуемыми дополнительными приспособлениями - регуляторами расхода, емкостями с катализатором, приспособлениями для дозирования реагентов в обрабатываемую жидкость в зависимости от требований к обработанным растворам и условий решаемых задач. Кроме того, оно обеспечивает равномерное распределение потоков одинаковую скорость течения в сечении электродных камер.

В данном устройстве отсутствуют условия для образования застойных зон, которые отрицательно влияют на характеристики электролитического реактора, имеют способность самоподдерживаться и развиваться. В таких зонах обычно накапливаются продукты электрохимических реакций, формируя осадки различной плотности. Проводимость застойных зон выше, чем в потоке, поэтому значительная часть потока расходуется на разогрев жидкости в застойных зонах и локальный синтез продуктов электролиза, но не на электрохимическое преобразование протекающей жидкости.

Ширина электродных камер должна удовлетворять двум требованиям: расстояние между поверхностью электрода и диафрагмой не должно быть большим, чтобы не увеличивать омическое сопротивление между электродами, однако оно не должно быть слишком малым, чтобы не вызывать капиллярных и расклинивающих эффектов, препятствующих свободному течению жидкости с газовыми пузырьками. Длина электродных камер определяется с учетом реальных условий работы, они не должны быть слишком длинными, чтобы резко не возрастало газонаполнение жидкости по мере ее приближения к выходу, но их длина должна обеспечивать достаточную степень преобразования жидкости при однократном протоке.

Достигается и дополнительный эффект за счет улучшения гидравлического режима в межэлектродном пространстве и при подводе и отводе жидкости из ячеек, оптимизации процесса за счет использования предложенной диафрагмы, а также снабжения устройства узлами, которые обеспечивают улучшение гидродинамики устройства.

Диафрагма элемента выполняется из керамики на основе оксида циркония с добавлением оксидов алюминия и иттрия.

Благодаря этому диафрагма обладает высокой устойчивостью (действию концентрированных и разбавленных водных растворов кислот, щелочей, окислителей, восстановителей, агрессивных газов: хлора, озона, и имеет срок службы более 10000 часов.

Диафрагма является ультрофильтрационной и имеет протекаемость в пределах 0,5-2,0 мл/квм*ч*Па. В процессе электролиза на поверхности диафрагмы образуются заряженные ионные слои, разность потенциалов между которыми достигает 2,5 В. За счет заряженных поверхностных ионных слоев напряженность электрического поля в диафрагме увеличивается на 30-40 В/см, что способствует повышению подвижности ионов в порах и снижает ее электрическое сопротивление. Гидрофильная керамическая диафрагма, кроме указанных, имеет еще несколько положительных свойств. Она не чувствительна к загрязнению жидкости органическими веществами, катионами тяжелых металлов. Легко и многократно может быть очищена от катодных отложений промывкой кислотой. Так как диафрагма является жесткой, то облегчается ее установка и демонтаж, а также обеспечивается возможность ее работы при изменяющемся давлении.

Материал электродов выбирается из числа известных в зависимости от условий эксплуатации, которые определяются назначением реактора. Могут использоваться титановые электроды с платиновыми или платиново-иридиевыми покрытиями, которые стойки как при анодной, так и при катодной поляризации, или покрытия из диоксида рутения или диоксида марганца, пирографитовые покрытия или полированные титановые электроды.

Выполнение стержневого электрода переменного сечения таким образом, что диаметр его концевых частей составляет 0,75 диаметра его средней части, и размещение его в сборке таким образом, что средняя его часть, имеющая больший диаметр, находится между уровнями, ограниченными отверстиями в цилиндрическом электроде, позволяет снизить износ электрода, т.к. в местах выполнения отверстий изменяется конфигурация электрического поля между электродами, что может привести к созданию локальных повышений напряжения и неравномерному износу электродов. Увеличение межэлектродного расстояния в этом месте позволяет также обеспечить стабильность работы диафрагмы. Кроме того, снижается материалоемкость электрода. Выполнение диаметра концевых частей стержневого электрода меньше, чем 0,75 диаметра его средней части нецелесообразно, т.к. приводит к образованию застойных зон. Выполнение их больше 0,75 не обеспечивает заданную степень ресурса работы электрода.

Выполнение в нижней и верхней частях цилиндрического электрода отверстий, соединенных соответственно с линиями подачи и отвода обрабатываемой жидкости, приводит к созданию оптимальных гидродинамических условий в камере цилиндрического электрода. Кроме того, это приводит к упрощению конструкции в целом, т. к. снижается сложность изготовления и монтажа диэлектрических втулок, упрощается регулирование скорости протока жидкости через камеру цилиндрического электрода.

Для исключения возможных гидравлических сопротивлений в замкнутых гидравлических пространствах подвода и отвода жидкости на поверхности втулок и цилиндрического электрода на уровне отверстий выполнены канавки таким образом, что отверстия расположены в канавках. Таким образом, при сборке не требуется строгая соосность каналов в коллекторах и электролитических реакторах, т.к. площадь образующегося проходного сечения достаточна для снятия гидравлических напряжений.

Известно увеличение производительности устройства за счет количественного увеличения электролитических модулей. Однако в известном устройстве модули располагаются в общем корпусе, что приводит к увеличению габаритов устройства и выходу из строя всего устройства при нарушении работы одного из модулей, кроме того, в известном решении не предусматривается возможность отвода продуктов от каждого конкретного модуля.

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 высокие требования к строгой параллельности электродов при сборке устройства, а кроме того, велики гидравлические сопротивления при питании электролизера и отводе продуктов, что приводит к неравномерности обработки по ячейкам и к суммарному снижению качества продукта. Кроме того, для извлечения отдельных ячеек требуется разборка электролизера в целом.

В предложенном устройстве ячейки установлены в гладких цилиндрических гнездах коллекторных головок нижнего и верхнего коллекторов. Такая компоновка приводит к снижению трудозатрат при сборке и разборке, экономии материалов, т.к. гладкие цилиндрические одинаковые гнезда наиболее просты в исполнении и надежны при многократных заменах элементов, равнопрочны при минимальном объеме окружающего их материала коллекторной головки.

Коллекторы имеют по две системы каналов, сообщающихся в нижнем коллекторе со входами в электродные камеры электролитических ячеек, а в верхнем с выходами этих камер. Это приводит к упрощению конструкции за счет выполнения в одном узле (в верхнем или нижнем коллекторах) всех гидравлических соединений без применения отдельных трубопроводов.

Герметизация каждой электролитической ячейки в гнезде коллекторной головки обеспечивается тремя уплотнительными унифицированными кольцами, расположенными в кольцевых канавках на поверхностях электролитической ячейки и втулки, а в двух промежутках между кольцами расположены отверстия входы и выходы электродных камер. Такое выполнение позволяет обеспечить экономию материала, уменьшить габариты, упростить конструкцию. Герметизация стандартными уплотнительными кольцами позволяет обеспечить быструю сборку реактора и оперативную замену электролитических элементов при ремонте.

Выполнение коллектора и коллекторных головок из диэлектрического материала позволяет исключить гальваническую связь между электролитическими элементами помимо коммутационного узла.

Сборка коллектора и коллекторных головок позволяет в каждом конкретном случае обеспечить требуемую производительность за счет подбора оптимального числа ячеек. Существенным является размещение ячеек равномерно по окружности, что обеспечит одинаковый гидравлический режим и равномерную обработку жидкости в каждой ячейке.

При этом достигается как упрощение конструкции, так и расширение функциональных возможностей устройства: электролизер любой производительности собирается с минимальными трудозатратами из электролитических элементов, упрощается сборка электролизера и замена элементов при ремонте. Каждый электрод электролизера соединен с устройством, обеспечивающим последовательное, параллельное или смешанное соединение электролитических элементов между собой. Это позволяет в зависимости от минерализации обрабатываемой жидкости избирать наиболее оптимальную электрическую схему соединения электролитических элементов и обеспечить экономию электроэнергии, повышая при этом КПД устройства и расширяя допустимый диапазон минерализации воды.

Устройство представлено на фиг. 1-2.

На фиг. 1 схематично представлено устройство для электрохимической обработки жидкости в сборке.

На фиг. 2 представлен основной узел устройства электролитическая ячейка модульного типа.

Представленнные ниже конкретные варианты осуществления изобретения не исчерпывают всех возможных вариантов осуществления изобретения. Во всех примерах использованы аноды из титана с покрытием диоксидом рутения, титановые катоды и ультрафильтрационные диафрагмы, содержащие 6О% оксида циркония, 3% оксида иттрия и 27% оксида алюминия.

Устройство для электрохимической обработки жидкости (фиг.1) содержит входной коллектор 1, выходной коллектор 2, коллекторные головки 3, уплотнительные кольца 4, штуцеры 5, электролитические ячейки (проточные электролитические модульные элементы ПЭМ) 6.

Ячейка 6 (фиг.2) представляет собой миниатюрный диафрагменный электролизер с коаксиальным расположением внешнего, цилиндрического 7 и внутреннего стержневого 8 электродов и трубчатой керамической диафрагмы 9 между ними. Электроды и диафрагма герметично жестко закреплены при помощи эластичных уплотнительных колец 10,11 в торцевых втулках 12 из диэлектрического материала, являющихся продолжением внешней цилиндрической поверхности ячейки (цилиндрического электрода 7). На внешней поверхности ячейки расположены входы 13,14 и выходы 15,16 электродных камер. Они выполнены в виде отверстий в торцевых втулках 12 и цилиндрическом электроде 7 у его концов, в промежутках между канавками для уплотнительных колец 17. Сборка и герметизация электролитического элемента производится при стягивании втулок 12 к торцам электрода 7 гайками 18 с шайбами на концах электрода 8. На поверхности втулок 12 и электрода 7 выполнены канавки 20 и 21, в которых и расположены соответственно отверстия 13,14 и 15,16 для подвода и отвода обрабатываемой жидкости в камеры цилиндрического и стержневого электродов. Зазоры между электродами 7 и 8 и диафрагмой 9 равны 1,2 мм толщина ультрафильтрационной диафрагмы 9 находится в пределах 0,58-0,62 мм. Диаметр внутреннего стержневого электрода равен 6-8 мм. Длина рабочей части диафрагмы составляет 200 мм. Рабочая поверхность диафрагмы заключена между уплотнительными кольцами 10. Площадь рабочей поверхности цилиндрического электрода составляет 88 см², стержневого 50 см². Отношение площади поверхности электрода к объему раствора в соответствующей электродной камере равно 3,3 м.

Устройство работает следующим образом. Исходная жидкость, например вода, из емкости по водопроводным коммуникациям раздельно подается через регуляторы расхода и системы каналов в нижнем коллекторе в анодную и катодную камеры ячейки. Система каналов в нижнем коллекторе (см. фиг.1) содержит осевые каналы, выведенные на торцевые поверхности коллекторов 22 и 23 для подвода обрабатываемой среды в электродные камеры и соединенные с равномерно расположенными по окружности радиальными каналами 24 и 25, а в верхнем коллекторе, обеспечивающем отвод обработанной жидкости из камер выполнены осевые каналы 26 и 27, соединенные с радиальными каналами 28 и 29. В осевых каналах установлены рассекатели 30. С помощью расходомера устанавливаются необходимые соотношения объемных расходов католита и анолита. Включается источник тока. После проведения электрохимической обработки по несообщающимся системам каналов в верхнем коллекторе анолит и католит поступают в емкости-накопители. Электрохимическая обработка воды производится во время ее однократного протока снизу вверх в катодной и анодной камере ячейки. В таблице 1 представлены технические характеристики устройства с различным числом электролитических ячеек. ТТТ1 ТТТ2 ТТТ3