Устройство для электрохимической обработки воды

 

Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды, и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды или получения моющих и дезинфицирующих растворов. Заявляется устройство для электрохимической обработки воды, содержащее электрохимическую ячейку, выполненную из коаксиально расположенных внешнего трубчатого и внутреннего электродов, трубчатой керамической диафрагмы, каталитической камеры, при этом внутренний электрод выполнен трубчатым, внутри которого установлена каталитическая камера, при этом электрохимическая ячейка установлена в корпуса - нижний и верхний, выполненные ступенчатыми и снабженные герметизирующими упругими прокладками и полостями, причем верхний корпус снабжен штуцером для отвода, а нижний - двумя штуцерами подвода, устройство также снабжено крышками из диэлектрического материала, выполненные с герметизирующими гребешками, отверстием для отвода воды и пазом для осевой фиксации, устройство также содержит перемешивающий механизм, выполненный в виде матричных втулок, с пазами под углом 45^o к направлению потока и установленный в электродных камерах с шагом 30-50 мм. При этом с целью очистки питьевой воды, геометрические размеры ячейки удовлетворяют соотношению S_k/S_a>1,0 , где S_k и S_a - площади поперечного сечения катодной и анодной камер соответственно, а для удаления из воды ионов тяжелых металлов между анодной и катодной камерами электрохимической ячейки установлена камера с катионами. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды или получения моющих и дезинфицирующих растворов.

Известно устройство для электролиза воды (заявка Японии 1-104 387 C 02 F 1/46,1989), состоящее из цилиндрического электролизера с коаксиально расположенными в диэлектрических втулках электродами и диафрагмой между ними, разделяющей внутреннее пространство на катодную и анодную камеры. В состав устройства входит источник постоянного тока. Но известное устройство обладает большими энергопотерями при обработке вод с изменяющейся во времени минерализацией, низкой надежностью и долговечностью.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является устройство для электрохимической обработки воды, (Международная заявка PCT/RU 93/00075, 1993, C 02 F 1/46), 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 верхней и нижней втулках выполнены каналы для подвода обрабатываемой воды в камеру стержневого электрода, источника тока, соединенного с электродами через узел коммутации, а также приспособления для подачи и отвода обрабатываемой воды в электродные камеры электрохимической ячейки. При этом стержневой электрод выполнен переменного сечения, диафрагма выполнена ультрафильтрационной из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия и установлена таким образом, что геометрические размеры ячейки удовлетворяют соотношениям: S_S/S_B=0,7 0,8, где S_S и S_B площади поперечного сечения камер соответственно стержневого и цилиндрического электродов.

Но в известном устройстве из-за ламинарного потока воды создается неблагоприятный гидродинамический режим в электродных камерах, т.е. движение воды в электродных камерах происходит при малом уровне скоростей и, соответственно, числа R_eчто и предопределяет заведомо ламинарный характер течения, что в свою очередь затрудняет десорбцию продуктов электродных реакций с поверхности электрода и их транспорт в объеме раствора, замедляет окислительно-восстановительные процессы и снижает эффективность электрохимических реакций в электродных камерах.

Применение катода, выполненного в виде стержня меньшего диаметра по отношению к аноду, а значит и существенно меньшей площади, приводит к необходимости организации перетоков воды между рабочими камерами электрохимической ячейки снаружи с помощью шлангов, размещению катализаторной камеры вне электрохимической ячейки, повышению относительной плотности тока на катоде и повышению диффузионных сопротивлений процесса восстановления хлора на катоде. В результате не обеспечивается полное удаление активного хлора, образующего в анодной камере реактора (ухудшаются органолептические свойства воды), снижается технологичность и надежность устройства.

Применение втулок для разделения камер в электрохимической ячейке значительно усложняет и удорожает конструкцию устройства, так как приводит к необходимости проточки канавок на трубчатом электроде для подвода и отвода воды и увеличению толщины стенки дорогостоящего электрода, усложнению технологии сборки и разборки электрохимической ячейки, увеличению номенклатуры деталей устройства.

Применение коллекторов, содержащих по нескольку гнезд для соединения ячеек гидравлически удорожает конструкцию, требует изготовления для каждой схемы подключения специальных коллекторов, разборки всего блока при замене одной ячейки и невозможности определения дефектной ячейки без разборки блока. Применение в качестве анода наружного электрода приводит к необходимости покрытия внутренней поверхности цилиндрического электрода защитным покрытием от анодного растворения, что не технологично и не обеспечивает требуемого качества покрытия.

Устройство также не обеспечивает удаление из воды ионов металлов.

Предложено устройство для электрохимической обработки воды, содержащее электрохимическую ячейку, выполненную из коаксиально расположенных, внешнего трубчатого и внутреннего электродов, трубчатой керамической диафрагмы, каталитической камеры, причем внутренний электрод выполнен трубчатым, внутри которого расположена каталитическая камера, а электрохимическая ячейка установлена в корпуса нижний и верхний, выполненные ступенчатыми и снабженные герметизирующими упругими прокладками и полостями, причем верхний корпус снабжен штуцером для отвода, а нижний двумя штуцерами подвода, устройство также снабжено крышками из диэлектрического материала, выполненные с герметизирующими гребешками, отверстием для отвода воды и пазом для осевой фиксации, устройство также содержит перемешивающий механизм, выполненный в виде матричных втулок, с пазами под углом 45^o к направлению потока и установленный в электродных камерах с шагом 30 50 мм, в случае очистки питьевой воды, геометрические размеры электрохимической ячейки предложенного устройства должны удовлетворять соотношению S_k/S_a > 1,0,где S_k и S_a площади поперечного сечения катодной и анодной камер соответственно, а для удаления из воды ионов тяжелых металлов между анодной и катодной камерами электрохимической ячейки установлена камера с катионитами.

В предложенном устройстве внутренний электрод электрохимической ячейки выполнен в виде трубки, что позволяет использовать внутреннюю полость электрода для обеспечения перетока воды между камерами ячейки и разместить катализаторную камеру внутри электрохимической ячейки, что уменьшает габариты устройства и повышает его надежность, за счет исключения дополнительных устройств для организации перетока воды между камерами и катализаторной камерой вне электрохимической ячейки.

Корпусы выполнены ступеньчатыми, обеспечивающими зазор между электродами и диафрагмой, с упругими герметизирующими прокладками, полостями и штуцерами для подвода и отвода воды к ячейке и перетока между камерами, при этом элементы определяющие взаимное радиальное и осевое расположение, фиксации электродов и керамической диафрагмы выполнены в одной детали корпусе, что позволяет упростить конструкцию, повысить технологичность сборки и разборки, снизить номенклатуру деталей.

Выполнение подводящих отверстий в полость электрода на корпусе позволяет исключить выполнение подводящей полости в виде канавки и отверстия на электроде и необходимость выполнения ответного электрода переменного сечения, исключает возможность создания локальных повышений напряжения и неравномерный износ электродов в местах захода воды в полости ячейки, позволяет повысить технологичность, использовать для изготовления электродов тонкостенные гладкие трубки, повысить КИМ.

Геометрические размеры электрохимической ячейки должны удовлетворять соотношению: S_k/A_a> 1,0 где S_k и S_a площади поперечного сечения катодной и анодной камер соответственно.

Такое соотношение площадей камер обеспечивает увеличение относительной плотности тока на аноде за счет уменьшения относительной площади анода, активизации электрохимических реакций окисления у анода и обеспечения протекания в полном объеме реакций восстановления воды у катода за счет увеличения площади катода по отношению к аноду.

В качестве анода в электрохимической ячейке используется электрод, расположенный изнутри по отношению к катоду, что позволяет использовать наружную поверхность электрода в качестве анода и обеспечивает повышение технологичности нанесения защитного покрытия на внешнюю поверхность электрода для предотвращения анодного растворения электрода при электрохимическом процессе.

Для герметизации и создания перетока между камерами, устройство снабжено специальной крышкой из диэлектрического пластичного материала с герметизирующими гребешками, расположенными на внешнем диаметре втулки, отверстием для отвода воды и пазом для осевой фиксации втулки относительно электрода. Выполнение устройства с перемешивающим механизмом, представляющим собой матричную втулку с прорезями под углом 45^o к потоку или кольцевую витую спираль, установленных с шагом 30-50 мм по длине электродной камеры как раздельно, так и в сочетании друг с другом, обеспечивает плавную закрутку внутренних слоев воды и их перемешивание со слоями воды и поверхности электродов, что приводит к улучшению десорбции продуктов электродных реакций с поверхности электрода и их транспорт в объеме раствора, ускоряет окислительно-восстановительные процессы и повышает эффективность электрохимических реакций в электродных камерах.

На фиг. 1 представлено устройство для электрохимической обработки воды; на фиг.2, 3 устройство для перемешивания потока в камерах ячейки и схема его монтажа в ячейке.

Устройство для электрохимической обработки воды содержит электрохимическую ячейку, выполненную из коаксиально расположенных, внешнего трубчатого 1 и внутреннего 2 электродов, трубчатой керамической диафрагмы 3, каталитической камеры 4, при этом электрохимическая ячейка установлена в корпусы нижний 5 и верхний 6, выполненные ступенчатыми и снабженные герметизирующими прокладками 7, полостями 8, причем верхний корпус снабжен штуцером для отвода 9, а нижний двумя штуцерами для подвода 10. Устройство также снабжено крышками 11 с герметизирующими гребешками, отверстием для отвода воды 12 и пазом для осевой фиксации 13. Устройство содержит перемешивающий механизм 14, выполненный в виде матричных втулок с пазами под углом 45^o к направлению потока и установленный в электродных камерах с шагом 30-50 мм. Устройство работает следующим образом.

Обрабатываемая вода из напорного источника, через фильтр и штуцер для подвода 10 поступает в электрохимическую ячейку с керамической диафрагмой 3, выполненную из трубчатых электродов внешнего катода 1 и внутреннего анода 2, образующие проточные электродные камеры (анодную и катодную). Обрабатываемая вода поступает вначале в анодную камеру, где выполнение внутреннего электрода 2 трубчатым, позволяет использовать его внутреннюю полость для перетока воды между электродными камерами и для размещения каталитической камеры 4, через которую проходит обрабатываемая вода после выхода из анодной камеры.

Во время протока через анодную камеру происходит образование активного хлора из солей, которые составляют естественную минерализацию воды. Соединения активного хлора полностью уничтожают все микроорганизмы и окисляют органические примеси.

В каталитической камере 4 происходит разрушение активного хлора. Далее вода поступает в катодную камеру, где происходит смещение окислительно-восстановительного потенциала, повышается биологическая ценность воды и обеспечивается качественная очистка.

Специальные перемешивающие механизмы 14 с шагом по всей длине электродных камер обеспечивают перемешивание всего объема воды, увеличивая эффективность электрохимических реакций.

Конструкция корпусов 5,6 позволяет производить сборку устройства из отдельных электрохимических ячеек для повышения производительности и эффективности обработки.

Таким образом, заявляемое техническое решение просто по конструкции, технологично, обладает меньшими габаритами и материалоемкостью, надежно в работе, обладает повышенной эффективностью электрохимических реакций и в целом повышает степень очистки воды.

Формула изобретения

1. Устройство для электрохимической обработки воды, включающее коаксиально расположенные внешний, являющийся корпусом, и внутренний электроды, разделенные трубчатой керамической диафрагмой с образованием анодной и катодной электродных камер, и каталитическую камеру, отличающееся тем, что внутренний электрод является анодом, выполнен полым и внутри него размещена каталитическая камера, внешний электрод является катодом, анодная и катодная камеры соединены между собой через каталитическую камеру, устройство снабжено держателями, установленными с противоположных концов электродов, выполненными ступенчатыми и снабженными герметизирующими упругими прокладками и полостями, причем один из держателей снабжен штуцером для отвода, а другой - двумя штуцерами подвода воды, устройство снабжено двумя крышками из диэлектрического материала, выполненными с герметизирующими гребешками, пазом для осевой фиксации и одна из крышек снабжена отверстием для отвода воды, электродные камеры снабжены устройством для перемешивания, выполненным в виде колец с пазом, выполненных под углом к потоку воды.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пазы выпролены под углом 45^o к потоку воды.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что кольца в электродных камерах размещены на расстоянии 30 50 мм друг от друга.

4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что S_k / S_a > 1, где S_k площадь поперечного сечения катодной камеры; S_a площадь поперечного сечения анодной камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3