Электрохимическое устройство для обработки жидкой среды

 

Изобретение касается электрохимического устройства для обработки жидкой среды. Область применения - учреждения здравоохранения, мясо-, рыбо-, овощеперерабатывающие предприятия, животноводческие, птицеводческие, фермерские хозяйства, плавательные бассейны. Устройство выполнено в виде трубчатого и стержневого монополярных электродов с коллекторными втулками. В кольцевой межэлектродной полости коаксиально размещен ионопроницаемый разделительный элемент. Коллекторные втулки выполнены со ступенчатой внутренней поверхностью. Патрубки для подачи и/или отвода жидкой среды расположены на боковой и/или торцевой поверхности по меньшей мере одной из коллекторных втулок. Изобретение позволяет расширить функциональные технологические возможности электрохимической обработки жидкой среды. 10 з.п. ф-лы, 1 табл., 13 ил.

Настоящее изобретение относится к электрохимической технологии обработки жидкой среды и касается электрохимического устройства, которое может быть использовано в составе установок для получения стерилизующего, дезинфицирующего, моюще-дезинфицирующего или лекарственного раствора антибактериального и противовирусного действия. Оно может быть также использовано в составе установок для обеззараживания и/или очистки жидкой среды, например питьевой воды, от легкоокисляемых органических веществ, тяжелых металлов, железа, и других примесей, а также для изменения ее водородного показателя (pH) и/или окислительно-восстановительного потенциала.

Область применения предложенного электрохимического устройства - учреждения здравоохранения, мясо- и рыбоперерабатывающие предприятия, овощехранилища, предприятия общественного питания, сельскохозяйственные предприятия, фермерские и другие хозяйства, плавательные бассейны.

Электрохимическая или электролизная обработка жидкой среды является широко распространенным технологическим способом. Его практическая реализация осуществляется с применением электрохимических (электролитических, электролизных) устройств разного конструктивного исполнения.

Известно устройство для электрохимической обработки жидкой среды, выполненное в виде электролизера с плоскими монополярными электродами положительной и отрицательной полярности, между которыми образована межэлектродная полость (патент Великобритании N 1526687 A по классу C 02 F 1/46 с приоритетом от 1978 г.). В указанной межэлектродной полости этого устройства проводят электрохимическую обработку жидкой среды с получением смешанных анодных и катодных продуктов электролиза, а также выделяющихся при электролизе газов.

Известно также устройство для униполярной электрохимической обработки жидкой среды, выполненное в виде диафрагменного электролизера с плоскими монополярными электродами положительной и отрицательной полярности, между которыми размещен ионопроницаемый разделительный элемент в виде плоской диафрагмы или мембраны, разделяющий межэлектродную полость на анодную и катодную камеры с патрубками для подачи и отвода жидкой среды. В этих изолированных униполярных электродных камерах жидкая среда подвергается униполярной анодной или катодной электрохимической обработке с получением анодных или катодных продуктов электролиза, а также выделяющихся при электролизе газов (Очистка питьевой воды, синтез моющих, дезинфицирующих и стерилизующих растворов из воды. Выпуск пятый. Москва, 1992 г., стр. 5, 11. Рекламно-издательский центр ЯиК).

Известно электрохимическое диафрагменное устройство с плоскими монополярными электродами положительной и отрицательной полярности, между которыми размещен ионопроницаемый разделительный элемент в виде плоской полимерной мембраны, разделяющий межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры с патрубками для подачи и отвода жидкой среды, причем в анодной камере также расположен по меньшей мере один плоский биполярный электрод (Патент США N 4248681 по классу C 25 В 1/22 с приоритетом от 1981 г.) При эксплуатации этого устройства электрохимической обработке подвергается насыщенный раствор натрия хлорида, причем в электродной камере с анодом и одним или несколькими биполярными электродами получают смесь хлора с двуокисью хлора, используемую для обеззараживания воды в плавательном бассейне.

Аналогом предложенного электрохимического устройства является проточное электрохимическое устройство (проточный электролитический элемент), используемое в составе электрохимической установки для обработки воды или водно-солевого раствора. Оно содержит коаксиально расположенные в вертикальной плоскости трубчатый и стержневой цилиндрические монополярные электроды, между которыми образована кольцевая межэлектродная полость, разделенная ионопроницаемой керамической трубчатой диафрагмой на изолированные униполярные электродные кольцевые камеры. На противоположных концах электродов установлены диэлектрические разъемные коллекторные элементы с патрубками для подачи и отвода жидкой среды, состоящие из коллекторной втулки и коллекторной головки, между обращенными друг к другу состыкованными поверхностями которых образован кольцевой паз. В нем установлен эластичный уплотнительный кольцевой элемент, в котором закреплен конец керамической трубчатой диафрагмы, а зазор между обращенными друг к другу поверхностями коллекторной втулки и монополярного трубчатого электрода уплотнен герметиком. На торцевой стенке коллекторной головки имеется кольцевая канавка с уплотнительным кольцевым элементом, а на резьбовых концах монополярного стержневого электрода, которые расположены снаружи коллекторной головки, установлены стандартные крепежные элементы в виде гайки и шайбы (Патент США N 5628888 по классу C 25 В 9/00 с приоритетом от 1996 г.) Недостаток этого проточного электрохимического устройства состоит в усложненной конструкции его разъемного коллекторного элемента в виде втулки, состыкованной с коллекторной головкой, а также в невысокой надежности уплотнения кольцевого зазора посредством герметика, наносимого ручным способом.

Ближайшим прототипом предложенного электрохимического устройства является проточный электролитический реакторный элемент, входящий в состав установки для электрохимической обработки воды или водно-солевого раствора, содержащий трубчатый и стержневой коаксиально расположенные монополярные цилиндрические электроды, между которыми образована кольцевая межэлектродная полость, разделенная ионопроницаемым разделительным элементом в виде пористой трубчатой керамической диафрагмы на изолированные униполярные анодную и катодную электродные кольцевые камеры, причем на противоположных концах монополярных электродов закреплены диэлектрические распределительные втулки с радиально расположенными отверстиями, а на наружной поверхности трубчатого электрода, на торцевой стенке распределительной втулки с осевым сквозным отверстием, а также между обращенными друг к другу торцевыми поверхностями распределительной втулки и монополярного трубчатого электрода выполнены кольцевые канавки или образованы кольцевые пазы с установленными в них эластичными кольцевыми уплотнительными элементами. Снаружи каждой распределительной втулки установлены диэлектрические коллекторные головки с патрубками для подачи и отвода жидкой среды, расположенные на уровне проходных радиальных отверстий в распределительной втулке и в монополярном трубчатом электроде (Патент Великобритании N 2274113 A по классу C 02 F 1/46 с приоритетом от 1992 г.).

Один из недостатков ближайшего прототипа состоит в том, что совокупное использование диэлектрических распределительных втулок и коллекторных головок с кольцевыми канавками и пазами, в которых установлены уплотнительные эластичные кольцевые элементы, усложняет его конструкцию и снижает надежность работы.

Его другой недостаток состоит в том, что вышеописанная конструкция проточного диафрагменного электролитического реакторного элемента не позволяет проводить электрохимическую обработку жидкой среды с одновременным получением смешанных разнополярных анодных и катодных продуктов электролиза. Это ограничивает функциональные технологические возможности электрохимической обработки жидкой среды, а также область практического использования прототипа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных технологических возможностей электрохимической обработки жидкой среды с получением униполярных и/или смешанных разнополярных продуктов электролиза, и/или с получением бактерицидных электролизных газов, а также упрощение конструкции и повышение производительности электрохимического устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в электрохимическом устройстве для обработки жидкой среды, выполненном в виде трубчатого и стержневого коаксиально расположенных монополярных цилиндрических электродов с закрепленными на их концах диэлектрическими коллекторными втулками, внутренняя полость которых сообщена с кольцевой межэлектродной полостью между обращенными друг к другу поверхностями монополярных электродов, с каналами и патрубками для подачи и отвода жидкой среды и герметизирована эластичными кольцевыми элементами, в кольцевой межэлектродной полости коаксиально размещен ионопроницаемый диафрагменный или мембранный разделительный трубчатый элемент и/или по меньшей мере один биополярный трубчатый электрод, закрепленные эластичными кольцевыми элементами, причем указанная межэлектродная полость разделена на сообщающиеся или изолированные электродные камеры и/или на электролизные ячейки для получения униполярных и/или смешанных разнополярных анодных и катодных продуктов электролиза, коллекторные втулки выполнены со ступенчатой внутренней поверхностью, а патрубки для подачи и/или отвода жидкой среды расположены на боковой и/или торцевой поверхности по меньшей мере одной из коллекторных втулок.

Другие отличительные признаки предложенного электрохимического устройства состоят в альтернативных вариантах размещения эластичных кольцевых элементов, установленных: - между противолежащими торцевыми участками ступенчатой внутренней поверхности коллекторной втулки и монополярного трубчатого электрода; - в кольцевых канавках, выполненных на противоположных концах монополярного трубчатого электрода; - в кольцевой канавке, выполненной соосно с отверстием в торцевой стенке коллекторной втулки, в котором размещен конец монополярного стержневого электрода; - между обращенными друг к другу поверхностями ионопроницаемого разделительного трубчатого элемента и конического участка ступенчатой внутренней поверхности коллекторной втулки; - в кольцевых канавках, выполненных на противоположных концах монополярного стержневого электрода.

Кроме того, предложенное электрохимическое устройство имеет следующие дополнительные отличительные признаки: - эластичные кольцевые элементы для фиксации ионопроницаемого разделительного трубчатого элемента и/или по меньшей мере одного биполярного трубчатого электрода, выполнены с тремя внутренними или наружными выступами, между которыми образованы продольные каналы для циркуляции жидкой среды; - на одном или на противоположных концах монополярного трубчатого электрода имеются радиальные переточные отверстия, на уровне которых расположен боковой патрубок коллекторной втулки; - на одном из торцевых участков ступенчатой внутренней поверхности коллекторной втулки имеется по меньшей мере один радиальный ограничительный выступ для продольно-осевой фиксации ионопроницаемого разделительного трубчатого элемента и/или биполярного трубчатого электрода, установленных в вертикальном или горизонтальном рабочем положении;
- в глухом резьбовом отверстии на торцевой стенке одной из коллекторных втулок закреплен резьбовой конец монополярного стержневого электрода;
- коллекторная втулка выполнена с осевым патрубком и сквозным резьбовым отверстием, в котором закреплен резьбовой конец монополярного стержневого электрода с "Т"-образным переточным каналом.

Предлагаемое электрохимическое устройство поясняется схематично на фиг. 1-13, причем
- на фиг. 1, 2, 3 изображены альтернативные варианты электрохимического устройства с трубчатым и стержневым коаксиально расположенными монополярными цилиндрическими электродами, между которыми размещен ионопроницаемый диафрагменный трубчатый элемент, разделяющий межэлектродную полость на две сообщающиеся гидравлически последовательно соединенные униполярные электродные кольцевые камеры с предусмотренными на коллекторных втулках патрубками для подачи или отвода жидкой среды;
- на фиг. 4, 5 изображены альтернативные варианты электрохимического устройства, отличающиеся от изображенных на фиг. 1, 2, 3 тем, что изолированные униполярные кольцевые электродные камеры гидравлически соединены параллельно;
- на фиг. 6, 7 изображены альтернативные варианты электрохимического устройства с трубчатым и стержневым коаксиально расположенными монополярными цилиндрическими электродами, между которыми размещен биполярный трубчатый электрод, разделяющий межэлектродную полость на две сообщающиеся кольцевые электролизные ячейки: они гидравлически соединены последовательно, причем патрубки для подачи и отвода жидкой среды предусмотрены на боковой стенке одной из коллекторных втулок ( фиг. 6), или гидравлически соединены параллельно, а каждая из коллекторных втулок имеет боковой или осевой патрубок (фиг. 7);
- на фиг. 8 изображен вариант электрохимического устройства с монополярными и биполярными коаксиально расположенными цилиндрическими электродами, причем в межэлектродной полости образованы три сообщающиеся кольцевые электролизные ячейки, гидравлически соединенные параллельно, одна из коллекторных втулок имеет боковой патрубок, а другая - осевой патрубок;
- на фиг. 9, 10 изображены варианты электрохимического устройства с трубчатым и стержневым коаксиально расположенными монополярными цилиндрическими электродами, между которыми размещены ионопроницаемый разделительный трубчатый элемент и биполярный трубчатый электрод, причем межэлектродная полость разделена на униполярную электродную камеру и монополярно-биполярную электродную камеру с двумя сообщающимися электролизными ячейками, причем электродные камеры гидравлически соединены параллельно, а биполярный электрод размещен в одной камере с монополярным трубчатым электродом (фиг. 9) или с монополярным стержневым электродом (фиг. 10 );
- на фиг. 11 изображен вариант электрохимического устройства с монополярными и биполярными коаксиально расположенными цилиндрическими электродами, причем один из биполярных электродов расположен в электродной камере монополярного трубчатого электрода, а другой - в электродной камере монополярного стержневого электрода; указанные монополярно-биполярные электродные камеры с сообщающимися электролизными ячейками разделены посредством ионопроницаемого разделительного трубчатого элемента, а каждая из противоположных коллекторных втулок имеет боковые патрубки для подачи или отвода жидкой среды;
- на фиг. 12, 13 изображены сечения А-А и Б-Б согласно фиг. 9, поясняющие конструкцию эластичных кольцевых элементов с внутренними или наружными выступами для продольно-осевой фиксации ионопроницаемого разделительного трубчатого элемента и/или биполярного трубчатого электрода, между которыми в кольцевой полости электродной камеры или электролизной ячейки имеются продольные каналы для циркуляции жидкой среды.

Электрохимическое устройство для обработки жидкой среды содержит трубчатый и стержневой коаксиально расположенные монополярные цилиндрические электроды 1, 2 положительной и отрицательной полярности, на противоположных концах которых закреплены диэлектрические коллекторные втулки 3, 4 (фиг. 1-11).

Внутренняя поверхность коллекторной втулки 3, 4 выполнена ступенчатой со сквозным цилиндрическим или глухим осевым резьбовым отверстием в ее торцевой стенке. В этих отверстиях расположены противоположные концы монополярного стержневого электрода 2, каждый из которых выполнен с крепежной резьбой 5 или 6. Альтернативным вариантом исполнения стержневого электрода 2 является полый цилиндрический электрод. На резьбовом конце 5 стержневого электрода 2 расположены стандартные крепежные элементы в виде шайбы 7 с гайкой 8, посредством которых закреплена коллекторная втулка 3, а его противоположный резьбовой конец 6 размещен в глухом (фиг. 1, 2, 4, 5, 6, 9) или сквозном (фиг. 3, 7, 8, 10, 11) осевом резьбовом отверстии коллекторной втулки 4 или последняя может быть закреплена на конце стержневого электрода 2 резьбовыми крепежными элементами по аналогии с креплением коллекторной втулки 3.

Между коаксиально расположенными цилиндрическими монополярными электродами 1, 2 образована кольцевая межэлектродная полость, в которой находятся:
- ионопроницаемый разделительный трубчатый элемент 9 (фиг. 1-5), разделяющий кольцевую межэлектродную полость на две кольцевые униполярные электродные камеры 10, 11, каждая из которых сообщена с внутренней полостью коллекторных втулок 3, 4;
- по меньшей мере, один биполярный трубчатый электрод 12, разделяющий межэлектродную полость на кольцевые электролизные ячейки 13, 14, сообщенные с внутренними полостями коллекторных втулок 3, 4 (фиг. 6, 7);
- несколько коаксиально расположенных биполярных трубчатых электродов, например 12, 15 (фиг. 8), разделяющих межэлектродную полость на кольцевые электролизные ячейки 13, 14, 16, сообщенные с внутренними полостями коллекторных втулок 3, 4;
- ионопроницаемый разделительный трубчатый элемент 9 и биполярный трубчатый электрод 12, расположенный в камере монополярного трубчатого электрода 1, которая содержит кольцевые электролизные ячейки 13, 17, сообщенные с внутренними полостями коллекторных втулок 3, 4 (фиг. 9);
- ионопроницаемый разделительный трубчатый элемент 9 и биполярный трубчатый электрод 15, расположенный в камере стержневого монополярного электрода 2, которая содержит кольцевые электролизные ячейки 14, 18, сообщенные с внутренними полостями коллекторных втулок 3, 4 (фиг. 10);
- ионопроницаемый разделительный трубчатый элемент 9 и биполярные трубчатые электроды 12, 15, один из которых расположен в камере монополярного трубчатого электрода 1, а другой - в камере монополярного стержневого электрода 2, каждая из которых содержит электролизные ячейки 13, 17 или 14, 18, сообщенные с внутренними полостями коллекторных втулок 3, 4 (фиг. 11). Ионопроницаемый разделительный трубчатый элемент 9 может быть выполнен в виде тонкостенной пористой керамической трубчатой диафрагмы или полимерной трубчатой мембраны.

В коллекторных втулках 3, 4 со ступенчатой внутренней поверхностью установлены эластичные кольцевые элементы, посредством которых уплотнены зазоры между наружной и/или торцевой поверхностями монополярного трубчатого или стержневого электродов 1, 2 и противолежащими участками внутренней поверхности коллекторной втулки 3 или 4, а также зафиксированы концы ионопроницаемого разделительного трубчатого элемента 9 и /или биполярного трубчатого электрода 12, или нескольких коаксиально расположенных биполярных электродов, например, 12 и 15.

Следует отметить, что максимальное количество коаксиально расположенных в межэлектродной полости биполярных электродов не должно превышать 5 штук, что обусловлено повышенными утечками тока при работе электролизера, имеющего более шести электролизных ячеек.

Ниже указаны порядковые номера и расположение эластичных кольцевых элементов, которые установлены в коллекторных втулках 3, 4 предложенного электрохимического устройства согласно фиг. 1-11 (см. таблицу).

Эластичные кольцевые элементы 19 и/или 20, 26, 27, фиксирующие концы расположенного в межэлектродной полости ионопроницаемого разделительного трубчатого элемента 9 и/или биполярного электрода 12 и/или 15, выполнены по меньшей мере с тремя внутренними или наружными продольными выступами 28 или 29, 30 или 31, между которыми в кольцевой полости электродной камеры или электролизной ячейки, в которой они расположены, образованы продольные переточные каналы 32 для циркуляции жидкой среды (фиг. 12, 13).

Для продольно-осевой фиксации ионопроницаемого разделительного элемента 9 и/или биполярного трубчатого электрода 12 и/или 15 предлагаемого электрохимического устройства, а также для удобства его сборки на торцевых участках ступенчатой внутренней поверхности коллекторной втулки 3 и/или 4 предусмотрены радиальные ограничительные выступы 33 или 34 (фиг. 1 - 10) или 33, 34, 35, 36 (фиг. 11).

Коллекторная втулка 3 предложенного электрохимического устройства выполнена с боковыми патрубками 37 и/или 38 для подачи и/или отвода жидкой среды, а коллекторная втулка 4 не имеет указанных патрубков (фиг. 1, 2, 6), либо имеет осевой патрубок 39 на ее торцевой стенке со сквозным осевым отверстием (фиг. 3, 8), либо выполнена по меньшей мере с двумя боковыми патрубками 40, 41 (фиг. 4, 5, 10) или с осевым и боковым патрубками 39, 41 (фиг. 11). Количество патрубков и их расположение на одной или на каждой из коллекторных втулок 3 и/или 4 зависит от гидравлического соединения образованных в межэлектродной полости изолированных или сообщающихся кольцевых электродных камер, и/или сообщающихся кольцевых электролизных ячеек для получения униполярных анодных или катодных продуктов электролиза (фиг. 3, 4, 5), и/или смешанных разнополярных анодно-катодных продуктов электролиза (фиг. 1, 2, 6, 11), причем это соединение может быть последовательным (фиг. 1, 2, 6), последовательным, и/или параллельным (фиг. 3, 7), или параллельным (фиг. 4, 5, 8-11), что расширяет функциональные технологические возможности и область применения предложенного электрохимического устройства.

Следует отметить, что осевой патрубок по сравнению с боковым патрубком создает меньшее гидравлическое сопротивление и обеспечивает более равномерную циркуляцию потоков жидкой среды и/или газов в межэлектродной полости с коаксиально расположенными электродными камерами и/или электролизными ячейками, причем в этом случае концевой резьбовой участок 6 закрепленного в коллекторной втулке 4 монополярного стержневого электрода 2 выполнен с осевым Т-образным переточным каналом 42 с выходами на торцевой и цилиндрической поверхностях стержневого электрода (фиг. 3, 7, 8, 11).

Цилиндрические монополярные и биполярные трубчатые электроды 1, 2, 12, 15 могут быть выполнены из чистого титана с малорастворимым оксидно-рутениевым или оксидно-рутениево-иридиевым или платинированным покрытием анодной поверхности.

На фиг. 1-11 предложенное электрохимическое устройство изображено в вертикальном рабочем положении. Оно также может быть установлено в горизонтальном или наклонном рабочем положении, а предусмотренные на коллекторных втулках 3, 4 патрубки в зависимости от реализуемого процесса электрохимической обработки жидкой среды и/или гидравлической схемы установки, в которой используется предложенное электрохимическое устройство, могут выполнять функции подвода или отвода жидкой среды.

Таким образом, в отличие от вышеуказанного ближайшего прототипа электрохимического диафрагменного устройства с гидравлически параллельно соединенными униполярными изолированными электродными камерами предложенное диафрагменное или бездиафрагменное биполярное электрохимическое устройство содержит:
- последовательно и/или параллельно соединенные сообщающиеся или изолированные униполярные электродные камеры 10, 11 согласно фиг. 1-5;
- электродную камеру с гидравлически последовательно или параллельно соединенными электролизными ячейками, например 13, 14 согласно фиг. 6, 7 или 13, 14, 16 согласно фиг. 8, которые образованы расположенными в межэлектродной полости биполярными трубчатыми электродами 12 или 12, 15;
- униполярную электродную камеру 10, 11 и электродную камеру с сообщающимися электролизными ячейками, например, 13, 18 или 14, 18 согласно фиг. 9, 10, которые образованы расположенным в межэлектродной полости биполярным трубчатым электродом 12 или 15, причем указанные электродные камеры могут быть соединены гидравлически параллельно или последовательно, а на фиг. 9, 10 показано их параллельное соединение;
- изолированные или сообщающиеся электродные камеры с расположенными в их межэлектродной полости биполярными трубчатыми электродами, например 12 или 15 согласно фиг. 11, причем указанные электродные камеры могут быть соединены гидравлически параллельно или последовательно, а на фиг. 11 показано их параллельное соединение.

Принцип работы предложенного электрохимического устройства состоит в следующем.

При вертикальном или наклонном рабочем положении электрохимического устройства предпочтительна подача исходной жидкой среды через патрубки нижней по уровню коллекторной втулки 3 с учетом циркуляции газожидкостного или газового потока в направлении к верхней коллекторной втулке 4.

При горизонтальном рабочем положении электрохимического устройства жидкая среда может подаваться в межэлектродную полость через боковые патрубки 37, и/или 38 коллекторной втулки 3, или через боковые патрубки 40, 41 коллекторной втулки 4, или через ее осевой патрубок 39 (фиг. 3, 7, 8), или через осевой и боковой патрубки 39, 41 (фиг. 11). В процессе циркуляции через коаксиально расположенные кольцевые униполярные электродные камеры 10, 11 (фиг. 1-5) и/или через электролизные ячейки (13, 14 согласно фиг. 6, 7 или 13, 14, 16 согласно фиг. 8, или 14, 18 согласно фиг. 10, или 13, 14 и 17, 18 согласно фиг. 11), образованные расположенным в межэлектродной полости ионопроницаемым разделительным трубчатым элементом 9 и/или одним или несколькими биполярными трубчатыми электродами 12 и/или 15, в жидкой среде протекает постоянный электрический ток, подводимый к трубчатому и стержневому коаксиально расположенным цилиндрическим монополярным электродам 1, 2, и через циркулирующий поток жидкой среды - к анодной и катодной поверхностям биполярного трубчатого электрода 12 и/или 15. Под воздействием постоянного электрического тока на обращенных друг к другу коаксиально расположенных поверхностях монополярных и/или биполярных электродов, а также в циркулирующем потоке жидкой среды протекают электрохимические реакции с получением кислых или щелочных униполярных продуктов электролиза, или с получением смешанных разнополярных анодно-катодных продуктов электролиза.

В электрохимическом устройстве с сообщающимися гидравлически последовательно соединенными униполярными электродными камерами 10, 11 согласно фиг. 1, 2, 3 или с сообщающимися электролизными ячейками 13, 14 согласно фиг. 6 жидкая среда подвергается электрохимической обработке с получением сначала анодных, а затем катодных продуктов электролиза, или с их получением в обратной последовательности (фиг. 1, 2, 3), или с одновременным получением в сообщающихся электролизных ячейках смешанных разнополярных анодно-катодных продуктов электролиза (фиг. 6, 7). При этом жидкая среда подается через патрубки 37 или 38 коллекторной втулки 3, причем она циркулирует через переточные каналы 32 между фиксирующими выступами 28, и/или 29 эластичного кольцевого элемента 19, и/или 20 (фиг. 13), а также через переточные отверстия 43, посредством которых электродная камера 10 (фиг. 1, 3) или электролизная ячейка 13 (фиг. 6) сообщена с патрубком 37.

В электрохимическом устройстве согласно фиг. 4, 5 жидкая среда подвергается униполярной анодной или катодной обработке в гидравлически параллельно соединенных изолированных электродных камерах 10, 11, а в устройстве согласно фиг. 8 она подвергается совмещенной разнополярной анодно-катодной обработке в сообщающихся электролизных ячейках 13, 14 (фиг. 4) или 13, 14, 16 (фиг. 5), причем в устройстве согласно фиг. 4 она циркулирует через радиальные переточные отверстия 43, 44, посредством которых электродная камера 10 соединена с патрубками 38, 41.

Аналогичным образом жидкая среда подвергается электрохимической обработке в изолированной униполярной электродной камере 11 ив сообщающихся электролизных ячейках 13, 17 согласно фиг. 9 или в изолированной униполярной электродной камере 10 и в сообщающихся электролизных ячейках 14, 18 согласно фиг. 10, а также в электролизных ячейках 13, 17 и 14, 18 согласно фиг. 11, которые расположены в изолированных камерах с биполярным электродом 12 или 15, разделенных ионопроницаемым элементом 9.

Электрохимически полученные продукты электролиза обуславливают химический состав, водородный показатель (pH) и окислительно-восстановительный потенциал обработанной жидкой среды.

Пример 1. Получение дезинфицирующего или стерилизующего раствора в электрохимическом устройстве согласно фиг. 1-3, 6-8.

Через патрубок 38 коллекторной втулки 3 в катодную электродную камеру 11 с монополярным стержневым электродом отрицательной полярности 2 подается 0,2-1%-ный раствор натрия хлорида. Катоднообработанный раствор циркулирует через переточные каналы 32 между фиксирующими выступами 28 и/или 29 эластичного кольцевого элемента 19 и/или 20 (фиг. 13) и через внутреннюю полость коллекторной втулки поступает в анодную электродную камеру 10 с монополярным трубчатым электродом 1 положительной полярности, а затем через радиальные переточные отверстия 43 на его концевом участке и/или через патрубок 37 отводится из электрохимического устройства. В процессе последовательной сначала катодной, а затем анодной обработки исходного раствора натрия хлорида в нем образуются высокоактивные хлоркислородные соединения с преимущественным содержанием гипохлорита натрия (NaClO), а также электролизные газы - хлор, кислород, водород. Электрохимически полученный слабощелочной раствор гипохлорита натрия с pH 8-9 является распространенным дезинфицирующим средством.

В электрохимическом устройстве согласно фиг. 3 часть катоднообработанного раствора натрия хлорида отводится из коллекторной втулки 4 через осевое отверстие 40 на резьбовом конце 6 монополярного стержневого электрода 2 отрицательной полярности и осевой патрубок 39, а оставшийся объем катоднообработанного раствора поступает в анодную камеру 10, в которой подвергается анодной обработке. С учетом отвода части катоднообработанного раствора через осевой патрубок 39 в результате последовательной сначала катодной, а затем анодной электрохимической обработки исходного раствора натрия хлорида получают слабокислый или слабощелочной раствор активного хлора с pH 5,5-7,5, который преимущественно содержит хлорноватистую кислоту (HClO) в комплексе с гипохлоритом натрия (NaClO). Этот раствор активного хлора концентрацией 0,2-1 г/л при pH 5,5-7,5 является высокоэффективным дезинфицирующим и/или стерилизующим средством, которое широко используется в Российской медицинской практике при проведении санитарно-гигиенических мероприятий.

Аналогичным образом получают слабощелочной раствор гипохлорита натрия в электрохимическом устройстве с гидравлически последовательно или параллельно соединенными электролизными ячейками 13, 14 или 13, 14, 16, образованными монополярными цилиндрическими электродами 1, 2 и одним или несколькими биполярными трубчатыми электродами, например 12, или 12, 15 согласно фиг. 6, 7, 8. При одинаковых расходах удельного количества электричества биполярное электрохимическое устройство имеет более высокую производительность по сравнению с электрохимическим устройством согласно фиг. 1-3, а в электрохимическом устройстве с двумя гидравлически последовательно соединенными электролизными ячейками согласно фиг. 6 за счет увеличения времени электрохимической обработки жидкой среды в последовательно соединенных электролизных ячейках 13, 14 повышается концентрация образующихся хлоркислородных соединений. Путем электрохимической обработки раствора натрия хлорида в гидравлически параллельно соединенных электродных камерах и/или в электролизных ячейках аналогичного электрохимического устройства согласно фиг. 9, 10, 11 получают:
- слабокислый или слабощелочной раствор активного хлора с преимущественным содержанием хлорноватистой кислоты и/или гипохлорита натрия;
- слабощелочной катоднообработанный раствор с преимущественным содержанием гидроксида натрия. Этот раствор с pH 9-11 используется в Российской медицинской практике в качестве моющего средства.

Пример 2. Получение дезинфицирующего и/или моющего растворов в электрохимическом устройстве согласно фиг. 4, 5
В изолированные униполярные электродные камеры 10, 11 согласно фиг. 4 через патрубки 37, 38 и радиальные переточные отверстия 43 подается 0,2-1%-ный раствор натрия хлорида. В одной из электродных камер, например в камере 3, раствор натрия хлорида подвергается анодной обработке, а в другой камере, например 11, подвергается катодной обработке при силе тока 5-10 А, подводимого к монополярным цилиндрическим электродам 1, 2.

В результате анодной обработки исходного раствора натрия хлорида получают дезинфицирующий раствор с pH 5,5-7,5 с преимущественным содержанием хлорноватистой кислоты (HClO) и/или гипохлорита натрия (NaClO), а в результате его катодной обработки получают моющий раствор с pH 9-11 с преимущественным содержанием гидроксида натрия (NaOH). Одновременно получают электролизные газы и другие сопутствующие продукты электролиза.

Электрохимически обработанные растворы отводятся из униполярных электродных камер 10, 11 через патрубки 40, 41, один из которых сообщен с электродной камерой 10 посредством радиальных переточных отверстий 44.

Путем регулирования расхода раствора, обрабатываемого в катодной электродной камере 11, можно изменять pH и окислительно-восстановительный потенциал аноднообработанного в электродной камере 10 раствора, а также количественный состав содержащихся в нем хлоркислородных соединений.

В работающем по такому же принципу электрохимическом устройстве согласно фиг. 5 радиальные переточные отверстия 43, 44 отсутствуют, поскольку электродная камера 10 через внутренние полости коллекторных втулок 3, 4 непосредственно сообщена с патрубками 38, 44.

Пример 3. Обеззараживание и/или очистка жидкой среды в электрохимическом устройстве согласно фиг. 1-11
Путем униполярной анодной и/или катодной обработки жидкой среды, например питьевой воды, или путем ее совмещенной анодно-катодной обработки в гидравлически последовательно или параллельно соединенных электродных камерах и/или в электролизных ячейках предложенного электрохимического устройства согласно фиг. 1-11 при силе тока 0, 5-0, 65 А на основе изложенного в примерах 1, 2 принципа работы можно проводить ее обеззараживание с одновременной очисткой от легкоокисляемых органических веществ, химических соединений, тяжелых металлов и железосодержащих комплексов, а также изменять ее водородный показатель (pH) и окислительно-восстановительный потенциал.

Пример 4. Получение бактерицидных электролизных газов для обеззараживания воды в плавательном бассейне, а также для других технологических целей в электрохимическом устройстве согласно фиг. 4, 5, 9
Для получения бактерицидных электролизных газов в изолированные униполярные электродные камеры 10, 11 согласно фиг. 4, 5 и/или в электролизные ячейки диафрагменного биполярного электрохимического устройства согласно фиг. 9 через патрубки нижней коллекторной втулки 3 подается насыщенный раствор натрия хлорида концентрацией 280-320 мг/л, а в остальной части принцип работы в целом аналогичен с вышеописанным в примере 2.

В процессе электролиза насыщенного раствора натрия хлорида в изолированной униполярной анодной камере 10 (фиг. 4, 5) или в изолированной анодно-биполярной камере с сообщающимися электролизными ячейками 13, 17 (фиг. 9) при силе тока 5- 10 А получают бактерицидные электролизные газы с преимущественным содержанием хлора (фиг. 4, 5) или с преимущественным содержанием хлора с двуокисью хлора и водородом. В униполярной катодной камере 11 получают сопутствующие электролизные газы с преимущественным содержанием водорода. Полученные бактерицидные и сопутствующие электролизные газы отсасываются из электродных камер через патрубки верхней коллекторной втулки 4 посредством дополнительно предусмотренного водоструйного или эжекторного насоса, в котором циркулирует поток жидкой среды, например воды питьевой или воды для инъекций.

В результате гидролиза полученных бактерицидных электролизных газов в циркулирующем потоке жидкой среды обеспечивается ее обеззараживание или получают целевой раствор с высокоактивными хлоркислородными соединениями в виде хлорноватистой кислоты и/или гипохлорита натрия, используемый для дезинфекции и/или стерилизации различных объектов и изделий, или в качестве лекарственного средства антибактериального и противовирусного действия.

Приведенные выше примеры характеризуют наиболее перспективные направления практического использования предложенного электрохимического устройства для обработки жидкой среды с получением униполярных и/или смешанных разнополярных продуктов электролиза.

Формула изобретения

1. Электрохимическое устройство для обработки жидкой среды, выполненное в виде трубчатого и стержневого коаксиально расположенных монополярных цилиндрических электродов с закрепленными на их концах диэлектрическими коллекторными втулками, внутренняя полость которых сообщена с кольцевой межэлектродной полостью между обращенными друг к другу поверхностями монополярных электродов, с каналами и патрубками для подачи и отвода жидкой среды и герметизирована эластичными кольцевыми элементами, отличающееся тем, что в кольцевой межэлектродной полости коаксиально размещен ионопроницаемый диафрагменный или мембранный разделительный трубчатый элемент и/или по меньшей мере один биполярный трубчатый электрод, закрепленные эластичными кольцевыми элементами, причем межэлектродная кольцевая полость разделена на сообщающиеся или изолированные электродные камеры и/или на электролизные ячейки для получения униполярных и/или смешанных разнополярных продуктов электролиза, коллекторные втулки выполнены со ступенчатой внутренней поверхностью, а патрубки для подачи и/или отвода жидкой среды расположены на боковой и/или торцевой поверхности по меньшей мере одной из коллекторных втулок.

2. Электрохимическое устройство по п.1, отличающееся тем, что эластичный кольцевой элемент установлен между противолежащими торцевыми участками ступенчатой внутренней поверхности коллекторной втулки и монополярного трубчатого электрода.

3. Электрохимическое устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что эластичные элементы установлены в кольцевых канавках, выполненных на противоположных концах монополярного трубчатого электрода.

4. Электрохимическое устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что эластичный кольцевой элемент установлен в кольцевой канавке, выполненной соосно с отверстием в торцевой стенке коллекторной втулки, в котором размещен конец монополярного стержневого электрода.

5. Электрохимическое устройство по любому из пп.1, 2, 4, отличающееся тем, что эластичный кольцевой элемент установлен между обращенными друг к другу поверхностями ионопроницаемого разделительного трубчатого элемента и конического участка ступенчатой внутренней поверхности коллекторной втулки.

6. Электрохимическое устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что эластичные кольцевые элементы установлены в кольцевых канавках, выполненных на противоположных концах монополярного стержневого электрода.

7. Электрохимическое устройство по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что эластичные кольцевые элементы для фиксации ионопроницаемого разделительного элемента и/или по меньшей мере одного биполярного трубчатого электрода выполнены с тремя внутренними или наружными выступами, между которыми образованы продольные каналы для циркуляции жидкой среды.

8. Электрохимическое устройство по любому из пп.1 - 4, 6, 7, отличающееся тем, что на одном или на противоположных концах монополярного трубчатого электрода имеются радиальные переточные отверстия, на уровне которых расположен боковой патрубок коллекторной втулки.

9. Электрохимическое устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что на одном из торцевых участков ступенчатой внутренней поверхности коллекторной втулки имеется по меньшей мере один радиальный ограничительный выступ для продольно-осевой фиксации ионопроницаемого разделительного трубчатого элемента и/или биполярного трубчатого электрода, установленных в вертикальном или горизонтальном рабочем положении.

10. Электрохимическое устройство по любому из пп.1 - 9, отличающееся тем, что в глухом резьбовом отверстии на торцевой стенке одной из коллекторных втулок закреплен резьбовой конец монополярного стержневого электрода.

11. Электрохимическое устройство по любому из пп.1 - 9, отличающееся тем, что коллекторная втулка выполнена с осевым патрубком и сквозным резьбовым отверстием, в котором закреплен резьбовой конец монополярного стержневого электрода с Т-образным переточным каналом.

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, Рисунок 13, Рисунок 14