устройство для электрохимической обработки жидких сред и способ его использования

Формула изобретения

1. Устройство для электрохимической обработки жидких сред, содержащее источник постоянного тока с переключателем полюсов и униполярные электроды, единичный пассивный и не менее двух активных, причем пассивный электрод размещен в заполненной водой или водным раствором емкости, выполненной с дном из влагонепроницаемого ионопроводящего материала, отличающееся тем, что емкость для пассивного электрода выполнена со стенками из влагонепроницаемого ионопроводящего материала, а активные электроды быстроразъемно соединены с кронштейнами, по меньшей мере, двумя смонтированными на этой емкости в радиальных направлениях.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что активные электроды выполнены в виде труб и/или пластин, плоских или дугообразных, поверхность которых выполнена сетчатой, и/или перфорированной, и/или сплошной.

3. Способ использования устройства для электрохимической обработки жидких сред, включающий погружение не менее двух активных электродов в обрабатываемую среду, а единичного пассивного электрода - в заполненную водой или водным раствором емкость, имеющую дно из ионопроводящего материала, контактирующее с этой средой, отличающийся тем, что емкость с пассивным электродом, выполненную со стенками из ионопроводящего материала, погружают в обрабатываемую среду по центру обрабатываемой зоны, а активные электроды размещают вокруг нее, по меньшей мере, в двух радиальных направлениях.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что активные электроды, выполненные в виде труб и/или пластин, плоских или дугообразных, с поверхностью сетчатой, перфорированной или сплошной, устанавливают в каждом радиальном направлении с интервалом между ними, оппозитно друг другу, в последовательности от центра к периферии сначала сетчатый, затем перфорированный, затем сплошной, по меньшей мере, по одному в каждом направлении.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к обработке жидких сред электрохимической униполярной активацией (ЭХА), позволяющей придавать этим средам варьируемые в широком диапазоне стабильные и метастабильные свойства, и могут быть использованы в различных областях человеческой деятельности, в частности в быту, в медицине, в сельском хозяйстве и т.п.

Известны устройства для ЭХА - обработки жидкостей, основным узлом которых является электрохимический реактор, выполненный в виде электролизера, разделенного посредством диафрагмы из ионопроницаемого материала на две камеры, катодную и анодную, в каждой из которых размещены униполярные электроды, связанные с соответствующим полюсом источника постоянного тока (например, пат. РФ №2221753, С02F 1/46, опубл. 2004 г.) (1).

Недостатками таких установок являются их большие габариты и малое воздействие электростатического поля на обрабатываемую среду из-за большого межэлектродного расстояния, что снижает эффективность ЭХА; ограниченные технологические возможности.

Известны устройства для ЭХА-обработки жидкостей, в которых частично устранены недостатки решения (1) за счет уменьшения межэлектродных расстояний и увеличения количества пластинчатых электродов, например проточный ЭХА, содержащий пакет пластинчатых электродов, катодов и анодов, и разделяющие их фильтрационные диафрагмы (пат. РФ №2167822, С02F 1/46, опубл. 2001 г.) (2)

Недостатками таких устройств являются их сложность в изготовлении и ограниченные возможности их использования из-за малой зоны обработки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство ЭХА-обработки жидких сред, в частности переувлажненной почвы, содержащее источник постоянного тока с переключателем полюсов и униполярные электроды, активный, т.е. воздействующий на обрабатываемую среду, и пассивный, т.е. изолированный от обрабатываемой среды, причем устройство содержит несколько активных электродов и единичный пассивный электрод, размещенный внутри емкости с водой, дно которой выполнено из ионопроводящего материала, а стенки из изоляционного материала (а.с СССР №1308219, А01В 47/00, публ. 1987 г.) (3).

Способ использования этого устройства состоит в том, что несколько активных электродов погружают в обрабатываемую среду, а единичный пассивный электрод погружают в заполненную водой емкость, выполненную из изоляционного материала с днищем из ионопроницаемого материала, которое контактирует с этой средой, при этом активные электроды размещают по всей зоне обработки, а емкость с пассивным электродом размещают над ними.

Устройство и способ (3) приняты за прототипы предлагаемого устройства и способа его использования. Недостатками этих решений являются сложность конструкции устройства и большая его металлоемкость, а также ограниченная область применения как устройства, так и способа.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции устройства и обеспечение его компактности при высокой эффективности обработки, а также расширение технических возможностей и, как следствие, области применения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для электрохимической обработки жидких сред, содержащем источник постоянного тока с переключателем полюсов и униполярные электроды, не менее двух активных и один пассивный, причем пассивный электрод размещен внутри заполненной водным раствором или водой емкости с дном из влагонепроницаемого ионопроводящего материала, новым является то, что упомянутая емкость выполнена со стенками из влагонепроницаемого ионопроводящего материала, что увеличивает объем электростатического поля, при этом активные электроды быстроразъемно соединены с кронштейнами, по меньшей мере, двумя, смонтированными на этой емкости в радиальных направлениях, что упрощает его конструкцию и эксплуатацию, обеспечивает компактность за счет сборно-разборного изготовления, а также универсальность за счет многовариантной сборки.

Для повышения эффективности активные электроды выполнены в виде труб и/или пластин, плоских или дугообразных, поверхность которых выполнена сетчатой, и/или перфорированной, и/или сплошной, что также позволяет варьировать величину электростатического поля за счет площади контактной поверхности, а также дополнительно повысить его универсальность.

Технический результат достигается также тем, что в способе использования предлагаемого устройства, включающем погружение не менее двух активных электродов в обрабатываемую среду, а единичного пассивного электрода в заполненную водным раствором или водой емкость с дном из водонепроницаемого ионопроводящего материала, контактирующим с этой средой, новым является то, что емкость с пассивным электродом, выполненную со стенками из водонепроницаемого ионопроводящего материала, погружают в обрабатываемую среду по центру обрабатываемой зоны, а активные электроды устанавливают, по меньшей мере, в двух радиальных направлениях относительно емкости, чем обеспечивается повышение эффективности обработки среды за счет более равномерного распределения электростатического поля по зоне обработки.

Технический эффект обеспечивается также тем, что активные электроды в виде труб и/или пластин, плоских или дугообразных, с поверхностью сетчатой, перфорированной, сплошной, устанавливают с интервалом между ними оппозитно друг другу в каждом радиальном направлении в последовательности от центра к периферии, сначала сетчатый, затем перфорированный, затем сплошной, по меньшей мере, по одному в каждом направлении, что также повышает эффективность обработки за счет более равномерного распределения электростатического поля, при этом происходит увеличение степени электрохимической активации и уменьшение степени электролиза, т.е. повышение окислительно-восстановительного потенциала среды.

Пример осуществления изобретения схематично показан на чертеже.

Устройство для ЭХА-обработки жидких сред, в частности воды, водных растворов, переувлажненной почвы, содержит источник постоянного тока 1 с переключателем полюсов 2 и 3, к которым подключены униполярные электроды 4 и 5 соответственно. Электрод 4, являющийся пассивным, т.е. не взаимодействующим с обрабатываемой средой, выполнен единичным и размещен в емкости 6, выполненной со стенками и дном из влагонепроницаемого ионопроводящего материала и заполненной водой или водным раствором. Электроды 5, являющиеся активными, т.е. взаимодействующими со средой, выполнены в неограниченном количестве, но не менее двух, в зависимости от объема среды, при этом они могут иметь трубчатую форму при трубчатом же электроде 4, в частности для обработки больших участков почвы. Преимущественно электроды 5 выполнены в виде пластин, плоских или дугообразных, рабочая поверхность которых может быть выполнена сетчатой, и/или перфорированной, и/или сплошной. Электроды 5 соединены быстроразъемно с кронштейном 8, при этом они могут быть жестко закреплены на нем, а могут быть свободно подвешены, причем кронштейн 8 может быть одновременно электрическим коллектором, соединенным с полюсом 3. Кронштейны 8, количество которых определяется в зависимости от величины зоны обработки, но не менее двух, монтируются на емкости 6 в радиальных направлениях, посредством быстроразъемных соединений.

Способ использования описанного устройства заключается в следующем.

Устройство является автономным, т.е. не привязано к конкретному электролизеру, и может быть использовано в любой емкости или без нее, в частности в почве. Для использования устройства его предварительно собирают, для чего в зависимости от величины зоны обработки, например емкости 7, на емкости 6 монтируют кронштейны 8, а на них электроды 5, причем количество кронштейнов, электродов на каждом из них и величины интервалов «а» между ними определено расчетным или опытным путем. Для более равномерного распределения электростатического поля при большом объеме среды 9 и соответственно большом количестве электродов 5 (не менее трех на каждом кронштейне) электроды монтируют на кронштейне в последовательности от центра к периферии: сетчатый, затем перфорированный, затем сплошной, по меньшей мере, по одному на каждом кронштейне. При меньшем количестве электродов 5 любая из модификаций может отсутствовать.

Устройство в сборе погружают в обрабатываемую среду, например, в электролизер 7, при этом емкость 6 устанавливают по центру обрабатываемой зоны, а электроды 5 размещают по всему объему среды 9 в радиальных направлениях оппозитно электроду 4 и относительно друг другу в каждом направлении. Электроды 4 и 5 подключают к полюсам 2 и 3. Емкость 6 заполняют водой или подключают к источнику проточной воды (не показан), устройство готово к работе.

Сущность процесса электрохимической активации жидкости посредством предлагаемого устройства заключается в следующем.

При электрохимической обработке жидкой среды, например, воды или ее растворов в электролизере 7 или переувлажненной почве происходит безреагентное изменение кислотно-щелочных (водородного показателя рН), окислительно-восстановительных (eh) и других параметров жидкости, что придает ей новые функциональные свойства, в т.ч. каталитическую и биокаталитическую активности, различные при катодной или анодной обработке.

При катодной обработке на активные электроды 5 подается «-», на пассивный электрод 4 - «+», в результате чего жидкость 9 в электролизере 7 (либо в почве) превращается в католит, который насыщается продуктами восстановительных реакций, а именно гидроксилами металлов, образовавшимися из растворенных солей, гидрооксидионами, водородом.

Пример основных восстановительных реакций в катодной зоне:

ОН^-+Н₂ О Н₃О₂ ^-+Н₅О₃ ^-+Н₇O₅+....

MeCl+ОН^- МеОН+Cl^-

При анодной обработке в зоне (+) электродов 5 анодная зона (анолит) насыщается продуктами окисления, в том числе кислотами, синтезированными из растворенных солей, кислородом, хлором.

Примеры основных окислительных реакций в анодной зоне:

Кислородные соединения хлора помимо собственной высокой окислительной способности участвуют и в реакциях каталитического окисления биологических сред, обуславливая тем самым значительную биоцидную активность.

Кроме того, при униполярной электрохимической обработке жидких сред помимо электрохимических реакций на электродах происходит активация (возбуждение) водной системы и приобретение ею избыточной внутренней потенциальной энергии.

Кроме структурных энергетических изменений среды и приобретения ею избыточной внутренней потенциальной энергии есть и другие факторы, влияющие на каталитическую и биокаталитическую активность анолита и католита, а именно

- образование долгоживущих диссипативных структур, сформированных в области объемного заряда у поверхности электродов как свободных, так и в виде гидратных оболочек ионов, молекул, радикалов, атомов, что придает анолиту и католиту свойства катализатора как химических, так и биохимических реакций, так как способствует изменению активационных энергетических барьеров между взаимодействующими компонентами;

- образование высокоактивных неустойчивых продуктов электрохимических реакций, время которых ограничено несколькими часами (например, свободные радикалы);

- активированное состояние обработанной водной системы униполярным электрохимическим методом проявляется аномальной реакционной способностью католита и анолита в окислительно-восстановительных реакциях, в их каталитической, биокаталитической активности при взаимодействиях на границе раздела фаз и т.д.

При униполярной электрохимической обработке водной среды:

- в катодной зоне католит приобретает щелочную реакцию (от исходного рН около 7 ед. до рН 8,0÷12 ед.). Ее окислительно-восстановительный потенциал еН резко понижается (от исходного еН в пределах 100-200 мв до -50÷-700 мв в шкале индикаторного платинового электрода относительно хлорсеребряного электрода сравнения), уменьшается содержание растворенных газов хлора, углекислого газа, кислорода, возрастает концентрация водорода;

- в анодной зоне кислотность системы увеличивается от исходного до рН 2÷6 ед. еН возрастает от исходного до 300÷1200 мв. Увеличивается содержание хлора и кислорода.

Предлагаемое устройство совместно со способом его использования является наиболее простым в изготовлении и эксплуатации в сравнении с известным аналогом, при этом оно является компактным и универсальным, может найти применение во всех сферах человеческой деятельности, в частности для уничтожения вредителей и возбудителей болезней, для повышения биологической активности организма человека или животного, а также семян растений, для повышения плодородия почвы и т.д., экологически чистым и безвредным путем, т.е. без применения химических веществ.