Устройство для электрохимической обработки жидкости

 

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки жидкостей, в частности - к прикладной электрохимии. Устройство содержит корпус с отверстиями для прохода жидкости и два электрода, между которыми размещен объемно-проницаемый для жидкости элемент из электропроводного материала, и источник питания. Объемно-проницаемый для жидкости элемент выполнен монолитным, непрерывно электропроводным и установлен в корпусе с образованием герметичных замкнутых полостей с последним. Один или оба электрода электрически соединены непосредственно с объемнопроницаемым элементом. В корпусе со стороны одной или обеих полостей между объемно-проницаемым элементом и корпусом выполнено дополнительное отверстие для прохода жидкости, причем одно из отверстий в каждой из названных полостей расположено в нижней части, а другое - в верхней части полости. Со стороны прилегающей к корпусу поверхности объемно-проницаемого элемента выполнены отверстия для прохода жидкости, расположенные по длине элемента. Устройство может быть снабжено одним или более дополнительными объемно-проницаемыми для жидкости электропроводными элементами, размещенными между основным объемно-проницаемым элементом и одним из электродов с образованием герметичной замкнутой полости с корпусом. При этом один или оба электрода электрически соединены с близлежащим объемно-проницаемым элементом. В корпусе со стороны полостей между объемно-проницаемыми элементами может быть выполнено по одному отверстию для прохода жидкости, а со стороны одной или нескольких из этих полостей или полостей между элементами и корпусом может быть выполнено дополнительное отверстие для прохода жидкости, причем одно из отверстий в каждой из названных полостей расположено в нижней части, а другое - в верхней части полости. Устройство может быть снабжено одним или более дополнительными электродами, электрически соединенными с поверхностями одного или нескольких объемно-проницаемых элементов, а также одним или более регуляторами гидродинамического сопротивления, установленными в каналах движения жидкости, соединенных с соответствующими отверстиями в корпусе. 11 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки жидкостей, в частности к прикладной электрохимии (электролизерам для обработки водных растворов), для униполярной электрохимической обработки технологических водных растворов и предназначено для регулирования их кислотно-основных и кислотно-восстановительных свойств, а также перевода в термодинамически неравновесное (активированное) состояние, характеризующееся повышенной физико-химической активностью. Изобретение может быть использовано для обработки питьевой и минерализованной технической воды, водных и безводных технологических растворов, управления биохимическими реакциями в различных областях народного хозяйства.

Известно устройство для электрохимической обработки жидкостей [1] содержащее корпус, служащий катодом, выполненный из пористого титана и покрытый снаружи гидроэлектроизоляционным слоем, коаксиально установленный стержневой анод из платиноиридиевого сплава и цилиндрическую диафрагму из керамики или ткани.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность электрохимической обработки жидкостей, обусловленная малым коэффициентом использования пористой поверхности за счет отсутствия сквозного протока через пористый катод и, как следствие, образования застойных зон вблизи слоя гидроизоляции и быстрого засорения катодными отложениями.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для электрообработки жидкости [2] содержащее корпус из диэлектрического материала с установленными внутри корпуса катодом и анодом, соединенными клеммами с источником тока. Катод и анод разделены между собой диафрагмой, выполненной из пористой керамической пластины, проницаемой для жидкости. Электродные камеры заполняются обрабатываемой жидкостью, которая после электрообработки удаляется из камер.

Недостатком известного устройства является низкая стабильность и эффективность электрохимической обработки жидкости, а также сложность устройства.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности электрохимической обработки жидкости за счет уменьшения неоднородностей в электрическом поле и соответствующего увеличения равномерности обработки жидкости по ее объему. Кроме того, достигается упрощение устройства и повышение его производительности, поскольку за один проход жидкости проводится полная ее обработка. Расширяется также эксплуатационные возможности устройства за счет получения жидкости с заданными параметрами pH и ОВП (окислительно-восстановительный потенциал).

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для электрохимической обработки жидкости, содержащем корпус с отверстиями для прохода жидкости и двумя электродами, между которыми размещен объемно-проницаемый для жидкости элемент из электропроводного материала, и источник питания, объемно-проницаемый для жидкости элемент выполнен монолитным, непрерывноэлектропроводным и установлен в корпусе с образованием герметичной замкнутой полости с последним. Один или оба электрода электрически соединены непосредственно с объемно-проницаемым элементом.

Кроме того, в корпусе со стороны одной или обеих полостей между объемно-проницаемым элементом и корпусом выполнено дополнительное отверстие для прохода жидкости, причем одно из отверстий в каждой из названных полостей расположено в нижней части, а другое отверстие в верхней части полости. Со стороны прилегающей к корпусу поверхности объемно-проницаемого элемента выполнены отверстия для прохода жидкости, расположенные по длине элемента.

Устройство может быть снабжено одним или более дополнительными объемно-проницаемыми для жидкости электропроводными элементами, размещенными между основным объемно-проницаемым элементом и одним из электродов с образованием замкнутой полости корпусом. При этом один или оба электрода электрически соединены с близлежащим объемно-проницаемым элементом.

В корпусе со стороны полостей между объемно-проницаемыми элементами может быть выполнено по одному отверстию для прохода жидкости, а со стороны одной или нескольких из этих полостей или полостей между крайними элементами и корпусом может быть выполнено дополнительное отверстие для прохода жидкости, причем одно из отверстий в каждой из названных полостей расположено в нижней части, в другое отверстие в верхней части полости.

Устройство может быть снабжено одним или более дополнительными электродами, электрически соединенными с поверхностями одного или нескольких объемно-проницаемых элементов, а также одним или более регуляторами гидродинамического сопротивления, установленными в каналах движения жидкости, соединенных с соответствующими отверстиями в корпусе.

Выполнение объемно-проницаемого для жидкости элемента монолитным, непрерывно электропроводным позволяет повысить эффективность электроактивации жидкости за счет того, что при протекании электрического тока через элемент на его поверхностях, соприкасающихся с жидкостью, возникают дополнительно токи, а, значит, микронеоднородности электрического и магнитного полей. Кроме того, в приповерхностных слоях образуется электронное облако, и при протекании жидкости молекулы последней попадают в тонкий приповерхностный слой, где может происходить поляризация молекул с обменом электронами с электронным облаком, а также возможно взаимодействие с возбужденными атомами, испустившими электроны. В результате такого взаимодействия происходит резкое увеличение энергии молекулы, она переходит в возбужденное состояние, характеризующееся повывшенной физико-химической активностью. Повышению эффективности обработки жидкости способствует также установка объемно-проницаемого элемента в корпус с образованием замкнутой полости с ним, поскольку это позволяет максимально полно произвести обработку жидкости и не дает возможности смешивания обработанной и необработанной жидкостей.

Выполнение в корпусе отверстий, расположенных вдоль объемно-проницаемого элемента со стороны его прилегающей к корпусу поверхности, дает возможность получать многофракционный раствор с выделением фракций с заданными ОВП, pH и ионным составом.

Благодаря введению в устройство одного или нескольких дополнительных объемно-проницаемых для жидкости электропроводных элементов, размещенных между основным элементом и одним из электродов с образованием герметичной замкнутой полости с корпусом, удается проводить многостадийную последовательную обработку жидкости, обеспечивающую ступенчатое изменение ее параметров. В результате возрастает время сохранения параметров полученной жидкости после обработки. При выполнении в корпусе со стороны одной или нескольких полостей между объемно-проницаемыми элементами по одному отверстию появляется возможность выводить жидкости с различной степенью обработки, не изменяя внешние параметры системы.

Соединение одного из электродов с близлежащим объемно-проницаемым элементом, позволяет, увеличивая активную площадь, уменьшить неоднородности электрического поля возле объемно-проницаемого элемента, соединенного с электродом. Это дает возможность проводить обработку жидкости при различной концентрации электрического поля в разных камерах и получать жидкости с различной временной стабильностью параметров pH и ОВП.

Благодаря электрическому соединению обоих электродов с близлежащими объемно-проницаемыми элементами удается получить резкое (на несколько порядков) увеличение площади обработки, а следовательно, более эффективно проводить электроактивацию жидкости. Это возможно потому, что активация в этом случае в основном происходит при контакте жидкости с поверхностью монолитного объемно-проницаемого электропроводящего элемента. Возникает система из двух или более электродов с большой активной поверхностью, на которых и происходит активация жидкости.

Выполнение в корпусе со стороны одной или нескольких полостей между объемно-проницаемыми элементами и между крайними элементами и корпусом дополнительного отверстия для прохода жидкости, при расположении одного из отверстий в каждо1 из полостей в нижней части, а другого отверстия в верхней части полости, дает возможность получить более стабильное разделение жидкости на фракции с заданными свойствами за счет отвода через верхние отверстия газов, образующихся во время обработки жидкости, совместно с обработанной жидкостью, а через нижние выводить обработанную жидкость с промежуточными значениями параметров pH и ОВП.

Применение дополнительных электродов, электрически соединенных с поверхностями одного или нескольких объемно-проницаемых элементов, обеспечивает плавное или ступенчатое регулирование качества обрабатываемой жидкости, позволяет производить совместно с обработкой нагрев жидкости. Появляется также возможность создания внутри объемно-проницаемого элемента электромагнитных полей произвольной формы и производить с их помощью активацию жидкости. Аналогичное регулирование обеспечивается за счет введения одного или нескольких регуляторов гидродинамического сопротивления, установленных в каналах движения жидкости, соединенных с соответствующими отверстиями в корпусе. Введение данных регуляторов дает возможность вносить изменения в гидродинамические потоки внутри реактора и изменять режимы обработки жидкости.

На фиг. 1 5 показаны устройства для электроактивации жидкости с одним объемнопроницаемым для жидкости электропроводным элементом; на фиг. 6 12 - устройства с несколькими объемно-проницаемыми элементами.

Устройство для электрохимической обработки жидкости состоит из диэлектрического корпуса 1 (фиг. 1 12) с отверстиями для входа и выхода жидкости, размещенного в нем объемно-проницаемого для жидкости элемента 2 из электропроводного материала и электродов 3, соединенных с источником питания постоянного или переменного тока (не показан). Электроды 3 расположены внутри корпуса по обе стороны от объемно-проницаемого элемента 2, последний выполнен монолитным, непрерывно электропроводным (например, из пористого титана, пористого стеклографита и т.д.) и образует с корпусом 1 герметичной замкнутой полости за счет плотного прилегания к его боковым поверхностям. Электроды 3 (либо только один из них) могут быть электрически подсоединены к объемно-проницаемому электропроводному элементу 2 (фиг. 2, 3, 7, 8).

В корпусе 1 со стороны одной или обеих (фиг. 4, 11) полостей между объемно-проницаемыми элементами 2 и корпусом 1 может быть выполнено дополнительное отверстие для прохода жидкости, причем одно из отверстий расположено в нижней части, а другое отверстие в верхней части полости.

Объемно-проницаемый электропроводный элемент 2 может быть выполнен протяжным (удлиненным) в направлении между электродами 3 (фиг.5) с отводом жидкости через отверстия в корпусе 1, расположенные со стороны прилегающей к корпусу поверхности элемента 2 по длине последнего.

Устройство может быть снабжено дополнительными объемно-проницаемыми для жидкости и непрерывно электропроводными элементами 4 (фиг. 6 10, 12), размещенными в корпусе 1 между основным объемно-проницаемым элементом 2 и одним из электродов 3, а также одним отверстием для прохода жидкости со стороны одной или нескольких полостей между объемно-проницаемыми элементами (фиг. 9, 10, 12). В корпусе 1 со стороны каждой из этих полостей может быть выполнено дополнительное отверстие для прохода жидкости, причем одно из отверстий полости расположено в нижней ее части, а другое отверстие в верхней части (фиг. 10).

Устройство может быть снабжено одним или более дополнительными электродами 5 (фиг. 8, 11), подключенными к основному или дополнительному источникам питания постоянного или переменного тока (не показаны). Электроды подсоединены к поверхностям объемно-проницаемого элемента 2 (фиг. 11) либо одного или нескольких дополнительных элементов 4 (фиг. 8).

Устройство может быть снабжено также одним или более регуляторами 6 гидродинамического сопротивления, установленными в каналах движения жидкости, соединенных с соответствующими отверстиями в корпусе 1 (фиг. 12).

Устройство для электроактивации жидкости работает следующим образом. Через одно из отверстий (входное) в корпусе 1 (фиг. 1, 2, 3) подается обрабатываемая жидкость, проходящая через объемно-проницаемый электропроводный элемент 2. К электродам 3 подается напряжение от источника питания постоянного или переменного тока, в результате чего жидкость подвергается электрохимической обработке и через выходное отверстие удаляется из корпуса 1.

Благодаря применению монолитного (цельного), непрерывно электропроводного объемно-проницаемого для жидкости элемента достигается стабильность электрических соединений внутри элемента и, соответственно, получение растворов со стабильными во времени параметрами. Этому же способствует расположение объемно-проницаемого элемента в корпусе с образованием герметичной замкнутой полости с последним, т.е. расположение на пути движения жидкости (фиг. 1, 2, 3).

Электрическое соединение одного из электродов 3 с объемно-проницаемым элементом 2 (фиг. 2) дает возможность повысить эффективность работы устройства за счет увеличения активной площади этого электрода. Возникающие при этом статические неоднородности электрического поля, обусловленные разностью площадей электродов, также улучшают качество обработки.

При непосредственном электрическом подключении обоих электродов 3 (фиг. 3) к объемно-проницаемому электропроводному элементу 2 действующее электрическое поле создается только внутри объемно-проницаемого элемента. Это приводит к более эффективной активации жидкости за счет омического нагрева объемно-проницаемого элемента и появления в нем объемно-неоднородных переменных поверхностных электрического и магнитного полей. Происходит разрыв ионных связей и отрыв электронов, а поры выступают в качестве резонаторов, производящих резонансную накачку.

При наличии промежуточных боковых отверстий в корпусе 1 в местах контакта его с объемно-проницаемым элементом 2 (фиг. 5) происходит отвод жидкости по ходу ее движения в элементе 2. В результате отводимая жидкость имеет разные свойства, поскольку подвергается электрохимической обработке при различных напряженностях электрического поля и длительности обработки.

В устройстве с двумя и более объемно-проницаемыми электропроводными элементами 2, 4 (фиг. 6-10, 12) жидкость может проходить последовательно через элементы (фиг. 6-9, 12) либо подаваться через дополнительное отверстие в полость между элементами и проходить через них в соседние полости (фиг. 10). При электрическом соединении электродов 3 с крайним объемно-проницаемыми элементами 2 и 4 (фиг. 8) последние выполняют роль объемно-проницаемых электродов, при этом образуется система из двух и более электродов с большой (благодаря объемно-распределенной структуре) активной площадью. Это дает возможность при относительно небольших размерах электродов получать большую площадь обработки жидкости.

При подключении к объемно-проницаемому элементу 2 (фиг. 11) или 4 (фиг. 8) одного или нескольких дополнительных электродов 5 и изменении напряжения на их зажимах (изменении потенциала на электроде 5 по отношению к одному из электродов 3 фиг. 8) можно регулировать качество обрабатываемой жидкости, а также производить ее нагрев в процессе электроактивации.

Изменение свойств жидкости может быть осуществлено также с помощью регуляторов 6 гидродинамического сопротивления, установленных в каналах движения жидкости со стороны полостей в корпусе 1 (фиг. 12). В этом случае можно перераспределять гидродинамические потоки жидкости внутри реактора и изменять режимы ее обработки для получения заданных свойств.

Между объемно-проницаемыми элементами на фиг. 6 10, 12 могут быть установлены диэлектрические проницаемые мембраны, например, в виде ультрафильтрационной оксидно-циркониевой диафрагмы (не показаны), а в корпусе со стороны соответствующих полостей между мембранами и объемно-проницаемыми элементами выполнены дополнительные отверстия для прохода жидкости. Это дает возможность упорядочить потоки жидкости внутри реактора. Поскольку мембрана проницаема для ионов и почти не проницаема для жидкости, то она препятствует смешиванию последней, создавая отдельные друг от друга камеры реактора, что приводит к повышению качества обработки жидкости. Кроме того, при наличии на выходах реактора различных гидродинамических сопротивлений мембрана предотвращает переток жидкости внутри реактора, что также способствует повышению качества электрохимической обработки.

Формула изобретения

1. Устройство для электрохимической обработки жидкости, содержащее корпус с отверстиями для прохода жидкости и двумя электродами, между которыми размещен объемно-проницаемый для жидкости монолитный пористый элемент, и источник питания, отличающееся тем, что элемент выполнен непрерывноэлектропроводным и установлен в корпусе с образованием герметичных замкнутых полостей с последним.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из электродов электрически соединен с элементом.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба электрода электрически соединены с элементом.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в корпусе со стороны одной или обеих полостей между элементом и корпусом выполнено дополнительное отверстие для прохода жидкости, причем одно из отверстий в каждой из полостей расположено в нижней части, а другое отверстие в верхней части полости.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в корпусе со стороны прилегающей к нему поверхности элемента выполнены отверстия для прохода жидкости, расположенные по длине элемента.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено одним или более дополнительными объемнопроницаемыми для жидкости пористыми электропроводными элементами, размещенными между элементом и одним из электродов на расстоянии друг от друга и от элемента с образованием герметичной замкнутой полости с корпусом.

7. Устройство по пп.4 6, отличающееся тем, что один из электродов электрически соединен с близлежащим элементом.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что оба электрода электрически соединены с близлежащими элементами.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в корпусе со стороны одной или нескольких полостей между элементами выполнено по одному отверстию для прохода жидкости.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в корпусе со стороны одной или нескольких полостей между элементами и между элементами и корпусом выполнено дополнительное отверстие для прохода жидкости, причем одно из отверстий в каждой из названных полостей расположено в нижней части, а другое отверстие в верхней части полости.

11. Устройство по пп.1 и 6, отличающееся тем, что оно снабжено одним или более дополнительными электродами, электрически соединенными с поверхностями одного или нескольких элементов.

12. Устройство по пп.4 и 9, отличающееся тем, что оно снабжено одним или более регуляторами гидродинамического сопротивления, установленными в каналах движения жидкости, соединенных с соответствующими отверстиями в корпусе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12