Установка для электрохимической очистки воды и/или водных растворов

 

Использование: все области техники, где требуется очистка или обработка воды с направленным изменением ее свойств. Сущность изобретения: в установке для очистки воды, содержащей, как минимум, одну цилиндрическую вертикальную электрохимическую ячейку с коаксиальными электродами из нерастворимого при электролизе материала, установленными в диэлектрических втулках, и диафрагму из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия, коаксиально установленную во втулках между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры с вводами в нижней и выводами в верхней частях камер, линию подвода очищаемой воды, линию отвода очищенной воды, соединенную с выводом анодной камеры, емкость с катализатором с входом в нижней и выходом в верхней частях, установленную на линии отвода воды, и дренажный слив, соединенный с выводом катодной камеры, установлена, как минимум, одна дополнительная электрохимическая ячейка с коаксиальными же нерастворимыми электродами, установленными в диэлектрических втулках, и с коаксиальной керамической диафрагмой, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, с вводом в нижней и выводом в верхней частях камер, и установка содержит герметичный цилиндрический флотатор с тангенциальным вводом обрабатываемой воды и выводами осветленной воды и верхнего слива, причем линия подвода очищаемой воды соединена с вводом в катодную камеру дополнительной ячейки, вывод катодной камеры дополнительной ячейки соединен с тангенциальным вводом флотатора, вывод осветленной воды флотатора соединен с вводом в анодную камеру основной ячейки, а вывод верхнего слива флотатора соединен, через регулятор расхода, с вводом анодной камеры дополнительной ячейки, а вывод анодной камеры дополнительной ячейки соединен с вводом катодной камеры основной ячейки. Установка может содержать приспособление для насыщения воды воздухом, установленное между выходом катодной камеры дополнительной ячейки и вводом воды во флотатор. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к установкам для электрохимической очистки воды и/или водных растворов и может быть использовано в различных областях деятельности человека для очистки и регулирования свойств воды и водных растворов.

Известны электролизеры различных конструкций, как бездиафрагменные, так и с разделенными электродными пространствами (диафрагменные) для обработки и очистки воды при однократном или многократном прохождении воды через электролизер [1] Недостатком известных устройств является сравнительная сложность конструкции, а также то, что известные конструкции рассчитаны на определенную производительность и не могут быть использованы при решении задач, требующих оперативного изменения производительности применяемых электролизеров в процессе эксплуатации.

Известна установка для очистки воды, содержащая, как минимум, одну электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов из нерастворимых при электролизе материалов, установленных в диэлектрических втулках, ультрафильтрационной диафрагмы из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия, коаксиально установленной во втулках между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры со входами в нижней и выходами в верхней частях, источник тока, соединенный с электродами, линию подвода обрабатываемой воды, соединенную с входом анодной и через регулятор расхода с входом катодной камеры, линию отвода обработанной воды, соединенную с выходом анодной камеры, емкость с катализатором со входом в нижней и выходом в верхней частях, установленной на линии отвода воды [2] Данная установка выполнена по модульному принципу и обеспечивает простоту и эффективность при работе в условиях с переменной производительностью и принята в качестве прототипа.

Недостатком известного решения является сравнительно невысокая степень очистки от ионов тяжелых металлов.

Целью изобретения является повышение степени очистки воды.

Поставленная цель достигается тем, что в установке для очистки воды, содержащей цилиндрическую вертикальную электрохимическую ячейку с коаксиальными электродами из нерастворимого при электролизе материала, установленными в диэлектрических втулках, и ультрафильтрационную диафрагму из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия, коаксиально установленную во втулках между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры с вводами в нижней и выводами в верхней частях камер, источник тока, соединенный с электродами, линию подвода очищенной воды, соединенную с выводом анодной камеры, емкость с катализатором с входом в нижней и выходом в верхней частях, установленную на линии отвода воды, и дренажный слив, соединенный с выводом катодной камеры, установлены дополнительная электрохимическая ячейка с коаксиальными же нерастворимыми электродами, установленными в диэлектрических втулках, и коаксиальной керамической диафрагмой, разделяющей межэлектродной пространство на анодную и катодную камеры, с вводом в нижней и выводом в верхней частях камер, и герметичный цилиндрический флотатор с тангенциальным вводом обрабатываемой воды и выводами осветленной воды и верхнего слива, причем линия подвода очищаемой воды соединена с вводом в катодную камеру дополнительной ячейки, вывод катодной камеры дополнительной ячейки соединен с тангенциальным вводом флотатора, вывод осветленной воды флотатора соединен с вводом в анодную камеру основной ячейки, а вывод верхнего слива флотатора соединен, через регулятор расхода, с вводом анодной камеры дополнительной ячейки, а вывод анодной камеры дополнительной ячейки соединен с вводом катодной камеры основной ячейки.

Установка может также содержать приспособление для насыщения обрабатываемой воды воздухом, установленное между выходом воды из катодной камеры дополнительной ячейки и входом во флотатор. Это приспособление может быть выполнено в виде водоструйного насоса или эжектора.

Введение флотатора позволяет удалить из воды ионы тяжелых металлов, а последовательность обработки в катодной и анодной камерах позволяет дополнительно регулировать качество обрабатываемой воды.

В прикладной электрохимии для повышения степени очистки известны последовательное соединение электролизера с флотатором для удаления примесей, перешедших в нерастворимую форму в результате электрохимической обработки. Однако известная установка содержит негерметичный электрофлотатор, т.е. с открытой верхней частью, сообщающейся с атмосферой, и с электродами, что представляет собой сравнительно сложную конструкцию. Хотя подвод обрабатываемой воды осуществляется в известном решении также в катодную камеру электролизера (в котором установлена анионообменная мембрана, что накладывает ограничения на режимы и увеличивает расход энергии), после чего вода поступает во флотатор и из флотатора выводится очищенная вода, известная установка потребляет большое количество электроэнергии, так как обработка в катодной камере направлена в основном на изменение pH обрабатываемого раствора до величин, превышающих pH гидратообразования. При значительных объемах известной установки необходимая степень очистки достигается при высоких затратах. В предложенном решении электрохимическая ячейка имеет небольшой объем, и при обработке в катодной камере за счет интенсивной турбулизации не происходит значительного повышения pH. Кроме того, вода, прошедшая флотатор, дополнительно обрабатывается в анодной камере основной ячейки и проходит емкость с катализатором. В известном решении не используется слив из флотатора, который в предложенном решении за счет гидравлической схемы установки позволяет снизить расход энергии на процесс обработки воды.

Известная установка позволяет с достаточно высоким результатом очистить воду и от ионов тяжелых металлов за счет образования частиц гидроксидов на поверхности пузырьков электролитического водорода, однако при этом происходит повышение pH обрабатываемой воды, что косвенно подтверждается тем, что, как следует из описания известного решения, кислый раствор, циркулирующий в анодной камере, используется для pH обработанной воды, а это требует еще и использования дополнительных узлов и оборудования. Недостатком известного решения является относительная сложность и громоздкость установки, сравнительно большой расход электроэнергии на стадиях электрообработки и электрофлотации, невозможность замены каких-либо узлов без полной остановки и опорожнения установки. Кроме того, обработка в известном устройстве требует значительного времени, а иногда и расхода реагентов.

В предложенной установке выполнение флотатора герметичным и цилиндрическим позволяет эффективно использовать пузырьки электролитического водорода, образовавшегося в катодной камере для удаления примесей.

Конкретная форма выполнения флотатора и его узлов в установке определяется условиями решаемой задачи, существенно лишь то, что он имеет цилиндрическую форму, обеспечивающую закручивание потока обрабатываемой воды во флотаторе при ее тангенциальном вводе.

В качестве катализатора установка содержит углеродный, или диоксидномарганцевый, или углерод-диоксидномарганцевый катализаторы.

В качестве электрохимических ячеек могут быть использованы электрохимические ячейки по патенту России N 2042639, обеспечивающие модульное их соединение для обеспечения требуемой производительности.

Установка схематично изображена на чертеже.

Установка содержит основную электрохимическую ячейку 1 и дополнительную электрохимическую ячейку 2, флотатор 3, регулятор расхода 4, емкость с катализатором 5, линию подвода обрабатываемой воды 6, дренажный слив 7 и вывод обработанной воды 8.2 Установка работает следующим образом.

Вода, подлежащая очистке, подается на вход катодной камеры электрохимической ячейки 2. После прохождения катодной камеры pH воды увеличивается до средних значений 8-10, при этом так как практически весь объем воды соприкасается с поверхностью катода, то и все ионы тяжелых металлов превращаются в нерастворимые гидроксиды.

Далее вода поступает в цилиндрический флотатор 3. Ввод воды осуществляется тангенциально, в верхней части аппарата, и поток, закручиваясь, движется сверху вниз, что обеспечивает интенсивное перемещение, укрупнение и всплытие пузырьков газа вместе с адсорбированными на их поверхности частицами нерастворимых примесей.

Для ускорения разделения флотационной смеси можно использовать приспособление для насыщения обработанной воды воздухом, расположенное между выходом катодной камеры ячейки 2 и флотатором 3 (на рисунке не показано). Крупные пузырьки воздуха, введенные, например, эжектором в воду, ускоряют подъем мелких пузырьков электролизного водорода с прилипшими к ним частицами нерастворимых примесей. Из флотатора 3 выводится верхний слив, в котором сконцентрированы все удаленные во флотаторе 3 примеси.

Осветленная вода из флотатора 3 по линии перетока поступает на вход анодной камеры электрохимической ячейки 1, где происходит окисление органических примесей, уничтожение всех видов и форм микроорганизмов, насыщение воды кислородом и озоном. Пройдя обработку в анодной камере, вода поступает в емкость с катализатором 5, позволяющим регулировать состав воды на выходе 8, исключая проскок активного хлора.

Верхний слив из флотатора 3 через регулятор расхода 4 поступает в анодную камеру электрохимической ячейки 2 и после обработки в анодной камере поступает по линии перетока в катодную камеру электрохимической ячейки 1, после которой поток направляется на слив 7.

Обработка воды в камерах ячеек 1 и 2, при которой в камерах противоэлектродов поступает сравнительно насыщенный раствор, протекает при пониженных затратах энергии.

Изобретение иллюстрируется следующим примером, который, однако, не исчерпывает всех возможностей изобретения.

Пример. В процессе очистки искусственно приготовленных растворов, содержащих ионы тяжелых металлов и органические загрязнения в концентрациях до 1 г/л, использовались две одинаковые ячейки по патенту России 2042639, C 02 F 1/46, 1992 г. с электродами из стеклоуглерода (катод) и из титана с покрытием диоксидом рутения и подключенный к положительному полюсу источник тока (анод). Диафрагма выполнена из керамики на основе смеси оксидов циркония, алюминия и иттрия. Устройство было снабжено флотатором в виде герметичного цилиндрического объема постоянного сечения с тангенциальным вводов в его верхней части и приспособлением для отвода осветленной воды, размещенным в нижней части флотатора. Между тангенциальным вводом и крышкой размещено приспособление для отвода верхнего слива в количестве 10% от объема флотатора, который последовательно подавался в анодную камеру ячейки 2 и катодную камеру ячейки 1. Обработка в устройстве по изобретению обеспечила 100% от органических соединений и микроорганизмов и 99-99,9% от ионов тяжелых металлов очистку, что выше, чем в известном решении.

Применение изобретения позволяет упростить известное решение, расширить функциональные возможности установки, расширить спектр характеристик получаемых продуктов, облегчить монтаж и эксплуатацию установки.

Формула изобретения

1. Установка для электрохимической очистки воды и/или водных растворов, содержащая как минимум одну основную цилиндрическую вертикальную электрохимическую ячейку с коаксиальными электродами из нерастворимого при электролизе материала, установленными в диаэлектрических втулках, и диафрагмой из керамики, коаксиально установленной во втулках между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры с вводами в нижней и выводами в верхней частях камер, линию подвода очищаемой воды, линию отвода очищенной воды, соединенную с выводом анодной камеры, емкость с катализатором с входом в нижней и выходом в верхней частях, установленную на линии отвода воды, и дренажный слив, соединенный с выводом катодной камеры, отличающаяся тем, что установка содержит как минимум одну дополнительную электрохимическую ячейку с коаксиальными нерастворимыми электродами, установленными в диэлектрических втулках, и с коаксиальной керамической диафрагмой, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, с вводом в нижней и выводом в верхней частях камер, и установка дополнительно содержит герметичный цилиндрический флотатор с тангенциальным вводом обрабатываемой воды и приспособлениями для вывода осветленной воды и верхнего слива, причем линия подвода очищаемой воды соединена с вводом в катодную камеру дополнительной ячейки, вывод катодной камеры дополнительной ячейки соединен с тангенциальным вводом флотатора, вывод осветленной воды флотатора соединен с вводом в анодную камеру основной ячейки, а вывод верхнего слива флотатора соединен через регулятор расхода с вводом анодной камеры дополнительной ячейки, а вывод анодной камеры дополнительной ячейки соединен с вводом катодной камеры основной.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит приспособление для насыщения обрабатываемой воды воздухом, установленное на линии, соединяющей вывод воды из катодной камеры дополнительной ячейки и тангенциальный ввод во флотатор, выполненное, например, в виде водоструйного насоса или эжектора.

3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что флотатор выполнен в виде герметичной цилиндрической емкости постоянного сечения, а тангенциальный ввод размещен на расстоянии 2/3 его длины от днища.

4. Установка по пп.1 3, отличающаяся тем, что флотатор выполнен цилиндрическим с конусообразным днищем.

5. Установка по пп.1 4, отличающаяся тем, что флотатор выполнен конусообразным и установлен расширением вверх.

6. Установка по пп.1 5, отличающаяся тем, что тангенциальный ввод флотатора расположен горизонтально.

7. Установка по пп.1 6, отличающаяся тем, что тангенциальный ввод флотатора размещен под углом 4 5^o к горизонтальному сечению флотатора и направлен вверх.

8. Установка по пп.1 7, отличающаяся тем, что приспособление для отвода осветленной воды из флотатора выполнено в виде вертикальной трубы, установленной по его оси с входом в нижней части флотатора, у его днища.

9. Установка по пп.1 8, отличающаяся тем, что в качестве катализатора она содержит углеродный или диоксидномарганцевый, или углерод-диоксидномарганцевый катализатор.

РИСУНКИ

Рисунок 1