Способ электрохимической обработки водных растворов и устройство

 

Способ электрохимической обработки водных растворов и устройство используют для получения дезинфицирующих и моющих растворов, для очистки природных, технологических и сточных вод, а также в технике получения жидких лекарственных средств и т.п. Технический результат заключается в улучшении технико-экономических показателей процессов электролиза за счет увеличения соотношения длительности действия постоянной составляющей, обеспечивающей процесс электролиза, к длительности действия переменной составляющей, обеспечивающей деполяризацию электрохимической системы. С этой целью прямые и обратные импульсы тока формируют наложением постоянной составляющей тока источника на переменную составляющую тока так, что период действия питания электролизера, складывающийся из длительности действия переменной составляющей и длительности действия суммарного импульса, образованного наложением постоянной составляющей на переменную составляющую тока, регулируется с обеспечением скважности Q суммарного импульса внутри периода в пределах 1 < Q ≅ 2. Устройство, реализующее предлагаемый метод, содержит электролизер, трансформатор, стабилизированный двухполярный источник питания, генератор импульсов, ключ управления тиристорами и двухполупериодный выпрямитель с конденсаторами, шунтирующими один диод и один тиристор. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам обработки воды и водных растворов, а также к устройствам для питания электролизеров. Оно может быть использовано для получения дезинфицирующих и моющих растворов, для очистки природных, технологических и сточных вод, а также в технике получения жидких лекарственных средств и т.п.

Известен способ очистки сточных вод с периодической сменой полярности электродов, процесс обработки в котором ведут с использованием переменного тока частотой 45. ..50 Гц при средней плотности обратного импульса, равной 0,05. . . 0,4 плотности прямого импульса [1]. Импульсы прямого тока, обеспечивая осуществление требуемых электрохимических процессов в электролизере, вызывают поляризацию в их электрохимической системе (ЭХС), а импульсы обратного тока, производя деполяризацию ЭХС, позволяют снизить энергозатраты на обработку вод. Известен способ электрохимической очистки воды, основанный на электролизе воды в диафрагменном электролизере асимметричным переменным током с соотношением катодной и анодной составляющей (8-10):1 [2]. Использование данного метода ограничено областью применения: очисткой воды, а также данный способ низко эффективен при больших плотностях тока и не может быть использован для получения концентрированных щелочных и кислых растворов. Известен способ электрохимической обработки водных растворов с использованием энергии импульсов прямого и обратного тока, передаваемых от источника переменного напряжения низкой, в том числе промышленной частоты, при дозировании соотношения количества электричества в этих импульсах [3]. Периодическая замена полярности электродов в аппаратах, то есть чередование импульсов прямого и обратного токов, обеспечивает деполяризацию ЭХС в аппаратах и уменьшает отложения на их электродах. Известно устройство для питания электролизера, содержащее два входных вывода для подключения к источнику электрической энергии переменного напряжения через трансформатор или непосредственно [4]. Два выходных вывода для соединения с положительным и отрицательным электродами электролизера, два вентиля образуют последовательно согласную цепочку. Катод одного вентиля соединен с положительным электродом, свободный анод другого вентиля этой цепочки - с отрицательным электродом электролизера, а точка соединения выводов обоих вентилей через токоограничитель-дозатор энергии источника соединена с одним входным выводом.

Недостатком этого устройства, является относительно сложная схема формирования импульсов прямого тока и сравнительно большие потери мощности в формирователе, обусловленные проведением тока в этих импульсах минимум через два вентиля-диода, а также очень малое значение обратного тока (равное току утечки диодов). Кроме того, принимая во внимание сравнительно низкие значения постоянной составляющей U₀ падения напряжения на электролизере 20...30 В, такое устройство при питании его от сети напряжением 220 В характеризуется КПД не выше 10%.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение эффективности процессов электролиза. Технический результат - улучшение технико-экономических показателей процессов электролиза за счет увеличения соотношения длительности действия постоянной составляющей, обеспечивающей процесс электролиза, к длительности действия переменной составляющей, обеспечивающей деполяризацию электрохимической системы, уменьшение потерь мощности и снижение отложений на электродах. Для этого в заявляемом изобретении прямые и обратные импульсы тока формируются наложением постоянной составляющей тока на переменную составляющую источника тока. Период действия питания электролизера определяется длительностью действия переменной составляющей и длительностью действия суммарного импульса, образованного наложением постоянной составляющей на переменную составляющую тока, и регулируется с обеспечением скважности Q суммарного импульса внутри периода в пределах 1 < Q ≅ 2. В устройстве (см. чертеж) в качестве дозатора энергии используется последовательно согласованная цепочка генератора импульсов, осуществляющего регулирование периода следования импульсов и изменение скважности импульсов внутри периода и питающего от стабилизированного источника питания, ключа управления тиристорами двухполупериодного выпрямителя, состоящего из резисторов и транзистора p-n-p типа. Устройство (см. чертеж) содержит электролизер, трансформатор, стабилизированный двухполярный источник питания, генератор импульсов, ключ управления тиристорами и двухполупериодный выпрямитель с конденсаторами, шунтирующими один диод и один тиристор. Стабилизированный двухполярный источник питания включает в себе обмотки трансформатора, двухполупериодный выпрямитель VD1, фильтр на конденсаторах C1, C2 и стабилизаторы напряжения MC1, MC2 с конденсаторами C3, C4. Стабилизированный двухполярный источник питания обеспечивает питание микросхемы MC3 и транзистора VT1. Генератор импульсов с регулированием периода следования и скважности импульсов собран на микросхеме MC3 - операционного усилителя, диодов VD2, VD3, резисторов R1, R3, R4, R6, R12, а также подстроечных резисторов R2 и R5. Резистор R2 управляет длительностью следования составляющих, то есть устанавливает скважность импульсов. Резистор R5 управляет изменением продолжительности периода следования импульсов. Для согласования работы генератора импульсов с ключом управления тиристорами установлено сопротивление R7. Ключ управления тиристорами содержит транзистор VT1 p-n-p типа и нагрузку в виде двух делителей напряжения R8, R10 и R9, R11. Двухполупериодный выпрямитель, нагрузкой у которого является электролизер E1, состоит из диодов VD4, VD5, тиристоров VD6, VD7 и конденсаторов C6, C7. Диод VD4 и тиристор VD7 зашунтированы конденсаторами C6, C7, которые установлены для обеспечения непрерывной подачи переменной составляющей на электролизер E1 от обмотки трансформаторов 1, 8, независимо от режима работы двуполупериодного выпрямителя. В зависимости от значений емкостей этих конденсаторов определяется величина переменной составляющей, поступающей на электролизер. Использование тиристоров в двухполупериодном выпрямителе позволяет управлять наложением постоянной составляющей, вырабатываемой двухполупериодным выпрямителем на переменную составляющую, поступающую на электролизер непрерывно через конденсаторы C6, C7 и тем самым получать суммарный импульс, в котором благодаря величине, поступающей через C6, C7, значительно большее значение будет иметь постоянная составляющая.

На чертеже изображена схема устройства для обработки водных растворов.

Со стабилизированного двухполярного источника питания с MC1 и MC2 поступает стабилизированное напряжение на микросхему MC3 генератора импульсов и транзистор VT1 ключа управления тиристорами. Генератор осуществляет генерацию импульсов, управляющих работой ключа на VT1, при этом цепочка обратной связи с R5 задает продолжительность периода, то есть действия суммарного импульса и переменной составляющей, а цепочка обратной связи с R2 устанавливает скважность составляющих внутри периода. При подаче отрицательного импульса на базу транзистора VT1 он открывается и на раздельных нагрузках ключа R8, R10 и R9, R11 возникает управляющий импульс, который открывает тиристоры VD6, VD7. При этом на выходе выпрямителя формируется постоянная составляющая, которая на электродах электролизера накладывается на переменную составляющую, поступающую непрерывно через конденсаторы C6, C7, создавая тем самым суммарный импульс питания электролизера. При подаче положительного импульса на базу транзистора VT1 он закрывается, на R8, R9 напряжение не выделяется и тиристоры VD6, VD7 закрываются, двухполупериодный выпрямитель не работает и через емкости C6 и C7 проходит переменная составляющая, которая подается на электроды электролизера E1. Далее цикл повторяется. Проведенные эксперименты по предлагаемому способу подтвердили его эффективность в процессе электролиза водного раствора NaCl на двухкамерном электролизере с катионнообменной селективной мембраной. В результате многочисленных опытов получали дезинфицирующий раствор с заданной концентрацией активного хлора. Обобщенные результаты серии опытов при получении дезинфицирующего раствора (анолита) с концентрацией активного хлора C_Cl = 500 мг/л по схеме с асимметричным током и серии опытов по схеме предлагаемого способа, выполненных при скважности суммарного импульса Q = 1...2 при одинаковом времени электролиза во всех сериях опыта. При одной исходной воде выходные характеристики получаемого раствора анолита при применении предлагаемого способа более экономически выгодны, чем выходные характеристики растворов, получаемых по ранее известным способам. Снижается расход соли для получения анолита с требуемой концентрацией активного хлора, увеличивается значение окислительно-восстановительного потенциала анолита, уменьшается потребляемая мощность при сохранении главного фактора применения переменной составляющей тока в процессе электролиза - деполяризации, не приводящей к возникновению отложений на электродах электролизера.

Список использованных источников.

1. Авторское свидетельство СССР N 929582, кл. C 02 F 1/46, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР N 1171428, кл. C 02 F 1/46, 1985.

3. Громогласов А. А. и др. Водоподготовка. Процессы и аппараты. - М.: Энергоиздат, 1990, с. 198.

4. Гребенюк В. Д. Электродиализ. - Киев, Изд. "Технiка", 1976, с. 126, рис. 55.

Формула изобретения

1. Способ электрохимической обработки водных растворов с использованием энергии импульсов прямого и обратного тока, формируемых наложением переменной составляющей тока источника и постоянной составляющей тока, отличающийся тем, что период действия питания электролизера, складывающийся из длительности действия переменной составляющей и длительности действия суммарного импульса, образованного наложением постоянной составляющей на переменную составляющую тока, регулируют обеспечением скважности Q суммарного импульса внутри периода в пределах 1 < Q ≅ 2.

2. Устройство для питания электролизера, содержащее двухполупериодный выпрямитель с конденсаторами и дозатор энергии, отличающееся тем, что в качестве дозатора энергии использована последовательно согласованная цепочка генератора импульса, осуществляющего регулирование периода следования импульсов и изменение скважности импульсов внутри периода, питающегося от стабилизированного источника питания, и ключа управления тиристорами двухполупериодного выпрямителя, состоящего из резисторов и транзисторов p-n-p типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1