Способ для электрохимической обработки воды

 

Изобретение относится к электрохимической обработке воды и водных растворов солей с целью изменения их окислительных и восстановительных свойств. Исходную воду, имеющую концентрацию растворенных солей 1-10 г в 1 л, обрабатывают в анодной камере проточного диафрагменного электролизера с удельными затратами электричества 3000-15000 кулонов на 1 л, при этом в катодную камеру электролизера подают слабоминерализованную воду с концентрацией растворенных солей более низкой, чем в исходной воде, и с расходом 0,2-4,0 л в 1 ч. Исходную воду, подаваемую в анодную камеру, готовят, дозируя высокоминерализованную воду с концентрацией солей 5-35% в слабоминерализованную. Величину рН анолита регулируют в пределах 4,0-7,5 изменением расхода слабоминерализованной воды. Технический эффект - получение дезинфицирующего раствора в оптимальном диапазоне рН с низким остаточным солесодержанием. 1 ил.

Изобретение относится к электрохимической обработке воды и водных растворов солей с целью изменения их окислительных и восстановительных свойств.

В практике широко применяются дезинфицирующие растворы, полученные электролизом водных растворов хлоридов щелочноземельных металлов, в первую очередь хлорида натрия (вследствие его дешевизны). Указанные растворы производят (в зависимости от способа электролиза и применяемых для этого устройств) с разной концентрацией активного хлора, с разной величиной pH, с разной остаточной концентрацией хлоридов. Из практики известно, что наиболее высоким обеззараживающим действием обладают растворы активного хлора, имеющие величину pH в диапазоне от 4,0 до 7,5, т.к. при этих условиях концентрация активного хлора в значительной степени обусловлена наличием хлорноватистой кислоты. При pH выше 7,5 концентрация активного хлора определяется в основном присутствием гипохлорит иона, а при pH ниже 4,0 - молекулярного хлора. Гипохлоритные растворы обладают в десятки раз более низким обеззараживающим действием, чем растворы хлорноватистой кислоты, а хлорные растворы, хотя и незначительно уступают по обеззараживающему действию последним, тем не менее редко применяются как из-за их более высокой коррозионной активности, так и из-за сильной летучести хлора при низких pH. Известно также, что коррозионное действие дезинфицирующих растворов зависит не только от величины pH, но и от остаточного содержания хлоридов. Оно тем меньше, чем ниже остаточная концентрация хлоридов в дезинфицирующем растворе. Снизить расход хлоридов при получении дезинфицирующих растворов важно и с экономической точки зрения. Если дезинфицирующие растворы применяются для обеззараживания воды, например питьевой, воды плавательных бассейнов или сточной воды, то остаточное содержание хлоридов в указанных растворах также имеет большое значение, т. к. оно строго нормируется в обеззараживаемой воде. Например, содержание хлоридов в питьевой воде не должно превышать 250 мг в 1 л. Следовательно, практика требует получать дезинфицирующие растворы такими способами и с помощью таких устройств, которые обеспечивают наиболее высокую долю превращения хлоридов в активный хлор, дают наименьшую остаточную концентрацию хлоридов и величину pH, находящуюся в диапазоне от 4,0 до 7,5.

Известны способ и устройство для электрохимической обработки воды с целью изменения ее окислительных (получение стерилизующих и дезинфицирующих растворов) и восстановительных свойств (получение моющих растворов) - заявка PCT/GB97/02666. В указанном изобретении дезинфицирующие растворы получают в проточном диафрагменном электролизере, пропуская всю воду с растворенными в ней солями сначала через катодную камеру, а затем весь католит или его часть - через анодную камеру. Величину pH дезинфицирующего раствора (анолита) регулируют отводом части католита из электролизера перед направлением его в анодную камеру, т. е. изменением соотношения расходов католита и анолита. Если соотношение расходов католита и анолита 1:1, то получают анолит с pH от 7 до 8, если указанное соотношение 1:0,75, то получают анолит с pH от 6 до 7, если соотношение упомянутых расходов 1:0,5, то получают анолит с pH от 2 до 6. Недостатком указанного изобретения является неэффективное использование соли, растворенной в воде, т.к., например, для получения дезинфицирующих растворов с pH от 5 до 6 (наиболее часто используемых на практике) теряется до 50% соли вместе с католитом, отводимым из электролизера.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению являются способ и устройство, защищенные патентом Великобритании N 2253860. В указанном патенте с помощью проточного диафрагменного электролизера получают дезинфицирующие растворы, пропуская через анодную камеру слабоминерализованную воду, концентрация солей в которой не превышает 10 г в 1 л, и, подвергая ее электрохимической обработке с удельными затратами электричества не превышающими 3000 кулонов на 1 л. При этом в катодную камеру подают высокоминерализованную воду (с концентрацией растворенных солей выше 10 г в 1 л), которая циркулирует по замкнутому контуру между указанной катодной камерой и газоразделительной емкостью, снабженной поплавковым клапаном. Воду в анодную камеру подают под давлением выше атмосферного, в результате чего часть воды фильтруется из анодной камеры в катодную. Из катодной камеры вода поступает в газоразделительную емкость и наполняет ее, при этом поплавковый клапан закрывает выходное отверстие для выхода газов в крышке указанной емкости. В результате давление в газоразделительной емкости начинает расти, превосходит давление воды в анодной камере и высокоминерализованная вода перетекает из катодной камеры через пористую керамическую диафрагму в анодную. Уровень жидкости в газоразделительной емкости падает, поплавковый клапан открывает отверстие для выхода газов, последние выходят из емкости, давление в ней падает, и вода опять из анодной камеры через диафрагму перетекает в катодную. Недостатком указанного изобретения является неэффективное использование соли растворенной в воде, обусловленное, с одной стороны, низкими удельными затратами электричества и, с другой стороны, потерей части соли с высокоминерализованной водой, перетекающей в анодную камеру из циркуляционного контура катодной камеры.

Решаемой технической задачей заявляемого изобретения является получение воды с окислительными свойствами (анолита), имеющей минимальную остаточную концентрацию соли (хлоридов) и величину pH, находящуюся в диапазоне от 4,0 до 7,5.

Поставленная задача решается за счет того, что исходную воду с растворенными в ней солями, концентрация которых составляет от 1 до 10 г в 1 л, подают для электрохимической обработки в анодную камеру проточного диафрагменного электролизера в зазор между анодом и пористой керамической диафрагмой с одновременной подачей воды в катодную камеру, где она проходит снизу вверх между катодом и указанной пористой керамической диафрагмой, приобретает восстановительные свойства и отводится из электролизера в верхней его части, при этом между анодом и катодом через воду в обеих камерах и пористую диафрагму, разделяющую эти камеры, проходит электрический ток. Исходную воду, подаваемую в анодную камеру, готовят, дозируя высокоминерализованную воду с концентрацией соли от 5 до 35% в слабоминерализованную. Электрохимическую обработку указанной исходной воды ведут в анодной камере при удельных затратах электричества от 3000 до 15000 кулонов на 1 л, а в катодную камеру указанного электролизера подают слабоминерализованную воду с расходом от 0,2 до 4,0 л в 1 ч и с концентрацией растворенных солей ниже, чем в исходной воде, подаваемой в анодную камеру. При этом величину pH анолита регулируют, устанавливая ее в пределах от 4,0 до 7,5, изменением расхода слабоминерализованной воды, подаваемой в катодную камеру.

Иллюстрацией заявляемого способа служит чертеж. На нем изображен проточный диафрагменный электролизер, состоящий из анодной 1 и катодной 2 камер, образованных соответственно анодом 3 и катодом 4 и разделенных пористой керамической диафрагмой 5, входные 6 и 7 и выходные 8 и 9 патрубки анодной и катодной камер соответственно, циркуляционный контур католита, образованный трубопроводом 10, соединяющим выходной 9 и входной 7 патрубки катодной камеры, подводящие 11 и 12 и отводящие 13 и 14 трубопроводы анодной и катодной камер, соответственно, трубопровод слабоминерализованной воды 15, средства для регулирования расхода воды 16 и 17 (например, дозировочные насосы, игольчатые вентили, шланговые зажимы и др.), подаваемой соответственно в анодную и катодную камеры и установленные на подводящих 11 и 12 трубопроводах анодной и катодной камер, средства 18 (например, дозировочный насос) дозирования высокоминерализованной воды в слабоминерализованную воду для приготовления исходной воды, подаваемой в анодную камеру, установленные на трубопроводе высокоминерализованной воды 19, соединяющем емкость высокоминерализованной воды 20 с подводящим трубопроводом анодной камеры 1, источник постоянного тока (не показан), полюса которого соединены электрической связью с анодом и катодом, емкость анолита 21.

Согласно заявляемому способу вышеописанный электролизер работает следующим образом. Слабоминерализованную воду (например, водопроводную с концентрацией растворенных солей не более 0,1%), подают по трубопроводу 15 в электролизер и разделяют на два потока, один из которых по подводящему трубопроводу 11 направляют в анодную камеру 1, а второй - по подводящему трубопроводу 12 в катодную камеру 2. По мере движения слабоминерализованной воды в анодную камеру по трубопроводу 11 в нее дозируют с помощью средств дозирования 18 высокоминерализованную воду с концентрацией растворенных солей от 5 до 35% из емкости 20 по трубопроводу 19. Дозирование осуществляют с таким расходом, чтобы после смешения в трубопроводе 11 слабоминерализованной воды с высокоминерализованной получилась исходная вода с концентрацией растворенных солей, не превышающей 10 г в 1 л. Следовательно, по подводящему трубопроводу анодной камеры 11 сначала поступает слабоминерализованная вода до места подсоединения к нему трубопровода высокоминерализованной воды 19, а далее по трубопроводу 11 в анодную камеру движется исходная вода, образованная в результате смешения слабоминерализованной воды с высокоминерализованной. При этом в качестве средств 18 могут использоваться любые известные средства дозирования жидкости, например, дозировочные насосы, такие как перистальтический, диафрагменный. Концентрацию соли, растворенной в высокоминерализованной воде, выбирают в указанном выше диапазоне, с одной стороны, из соображения экономичности установки, т.к. использование высоких концентраций соли, близких к насыщенному раствору (35%), позволяет применять дозировочные насосы меньшей производительности и, следовательно, более дешевые; с другой стороны, из соображения технологичности, т.к. для наилучшего перемешивания слабоминерализованной воды с высокоминерализованной целесообразно использовать более разбавленные растворы, с концентрацией солей, близкой к нижнему пределу указанного выше диапазона (5%). Использование упомянутого выше способа дозирования важно для решения поставленной задачи. Оно позволяет получить исходную воду с высокой точностью (обычно не ниже ±5%) с заранее заданной концентрацией соли. Это дает возможность в зависимости от конкретного практического использования получаемого дезинфицирующего раствора выбирать оптимальную концентрацию соли в исходной воде. Известно, что степень превращения хлоридов в активный хлор при прочих равных условиях тем выше, чем ниже концентрация соли в исходной воде. Поэтому использование приема дозирования для получения оптимальной концентрации соли в исходной воде в комбинации с использованием удельных затрат электричества в заявляемом диапазоне позволяет наиболее экономично (с точки зрения потребления соли) получать дезинфицирующие растворы для конкретного использования. После приготовления исходную воду по трубопроводу 11 подают в анодную камеру 1 на электрохимическую обработку. Расход исходной воды устанавливают с помощью средства для регулирования расхода 16 равным такой величине, чтобы с учетом силы электрического тока в электролизере получить удельные затраты электричества на электрохимическую обработку воды в анодной камере в пределах от 3000 до 15000 кулонов на 1 л. Удельные затраты электричества выбираются в заявляемом диапазоне, т.е. более высокими, чем в способе-прототипе с целью более эффективного превращения растворенной в исходной воде соли (точнее хлоридов) в активный хлор (т.е. в продукты гидролиза газообразного хлора, выделившегося в процессе электролиза на аноде). Нижний предел (более 3000) выбран таковым, поскольку более низкий не обеспечивает высокой степени превращения хлоридов в активный хлор. Заявляемый верхний предел (15000) выбран исходя из того, что при работе с более высокими удельными затратами электричества в указанном выше диапазоне концентрации солей, растворенных в исходной воде, наблюдается чрезмерный разогрев электролизера. В катодную камеру 2 по трубопроводу 12 подают на электрохимическую обработку слабоминерализованную воду. Расход этой воды устанавливают с помощью средства для регулирования расхода 17 таким, чтобы он находился в пределах от 0,2 до 4,0 л в 1 ч и обеспечивал величину pH анолита в пределах от 4,0 до 7,5. Указанный верхний предел выбран исходя из того, что при более высоком расходе воды в катодную камеру получается анолит с величиной pH ниже 4,0. В качестве средств для регулирования расхода воды 16 и 17, подаваемой соответственно в анодную и катодную камеры, используют любые известные средства для регулирования расхода жидкости, например вентили, игольчатые вентили, регулируемые шланговые зажимы, дозировочные насосы. После заполнения анодной и катодной камер водой включают источник постоянного тока, который по электрическим проводам подает напряжение на анод и катод. Под действием указанного напряжения между анодом и катодом через воду, заполнившую анодную и катодную камеры, и пористую керамическую диафрагму протекает электрический ток. Силу электрического тока устанавливают такой, чтобы с учетом величины расхода исходной воды, подаваемой в анодную камеру, удельные затраты электричества на электрохимическую обработку указанной воды в анодной камере находились в заявляемых пределах (от 3000 до 15000 кулонов на 1 л). Удельные затраты электричества в анодной камере равны отношению силы тока между электродами, измеряемой в амперах, к расходу исходной воды через анодную камеру, измеряемому в литрах в 1 с. Католит, образовавшийся в катодной камере в процессе электролиза, циркулирует под действием газлифта, вызванного электролизными газами, по циркуляционному контуру, образованному трубопроводом 10, входным патрубком 7 катодной камеры, собственно катодной камерой 2 и выходным патрубком 9 указанной катодной камеры. Использование указанного циркуляционного контура католита позволяет получать католит с более высоким значением pH, чем в устройстве без циркуляционного контура. Такой католит (с более высоким pH) позволяет получать анолит с величиной pH, близкой к заявляемому верхнему пределу (7,5). Подача слабоминерализованной воды в катодную камеру (в отличие от способа-прототипа) позволяет снизить расход соли при проведении процесса электролиза по заявляемому способу. Так как в катодную камеру непрерывно подается слабоминерализованная вода, то из нее также непрерывно выходит католит (в смеси с электролизными газами), который по трубопроводу 14 либо собирается в емкости католита (не показана), либо сбрасывается в дренаж. Величину pH анолита регулируют с помощью средства для регулирования расхода 17. Уменьшая с его помощью расход воды, подаваемой в катодную камеру, увеличивают величину pH анолита и, наоборот, увеличивая расход воды, уменьшают величину pH анолита. Однако в любом случае расход католита устанавливают таким, чтобы величина pH анолита находилась в пределах от 4,0 до 7,5.

Пример реализации заявляемого способа. Электрохимическую обработку воды проводили в проточном электролизере. В качестве анода использовали трубку с внутренним диаметром 14 мм, изготовленную из титана. На внутреннюю поверхность трубки было нанесено многослойное каталитическое покрытие из смеси оксидов рутения и иридия. В качестве катода был использован титановый стержень диаметром 8 мм, коаксиально помещенный внутрь анода. Между анодом и катодом также коаксиально была установлена трубчатая керамическая диафрагма, изготовленная из смеси оксидов алюминия, циркония и иттрия. Диаметр указанной диафрагмы составлял около 11 мм, длина 210 мм и толщина стенки около 0,5 мм. Анод, диафрагма и катод были отделены друг от друга с помощью резиновых уплотнительных колец соответствующего диаметра. Торцы указанных анода, диафрагмы и катода были вставлены в пластмассовые втулки, снабженные входными патрубками анолита и католита с одного торца и выходными - с другого. Указанный электролизер был расположен вертикально так, чтобы входные патрубки были внизу, а выходные - вверху. В качестве слабоминерализованной воды использовали водопроводную воду с концентрацией растворенных солей ниже 0,1 г в 1 л. Исходную воду готовили, дозируя (с помощью перистальтического дозировочного насоса) высокоминерализованную воду с концентрацией растворенной соли (хлорида натрия) 200 г в 1 л. Дозирование указанной воды осуществляли с расходом 75 мл в 1 ч. Расход исходной воды в анодную камеру устанавливали с помощью регулятора расхода (вентиля) равным 5 л в 1 ч. При этом концентрацию соли в исходной воде получали равной 3 г в 1 л. В катодную камеру подавали упомянутую водопроводную воду с расходом 0,8 л в 1 ч. Указанный расход также устанавливали с помощью соответствующего регулятора расхода (игольчатого вентиля). В качестве источника постоянного электрического тока использовали нестабилизированный источник электрического питания с напряжением 9 B. При таком напряжении ток электролиза составил 9 A. Следовательно, удельные затраты электричества на электрохимическую обработку анолита составили 6475 кулонов на 1 л. В результате был получен анолит с концентрацией активного хлора (измеренной методом иодометрического титрования с точностью ±5%) около 1000 мг в литре. Величина pH анолита составила 6,4. При указанном значении pH примерно 97% активного хлора представлено хлорноватистой кислотой и только 3% гипохлоритом натрия, что говорит о том,что полученный анолит обладает дезинфицирующей способностью, близкой к максимальной. Как видно из представленных результатов, в данном примере было достигнуто соотношение концентраций активного хлора в анолите и хлорида натрия в исходной воде, равное 1:3.

Для сравнения был проведен электролиз по способу-прототипу. В анодную камеру такого же электролизера, как описан в приведенном выше примере, подавали исходную воду также с концентрацией соли равной 3 г в 1 л. Расход исходной воды через анодную камеру составил 30 л в 1 ч. В газоотделительную емкость катодной камеры, образующую с последней циркуляционный контур, была залита высокоминерализованная вода с концентрацией хлорида натрия 200 г в 1 л. Использовали тот же источник питания с напряжением 9 B. При этом ток электролиза равнялся 12 A, а удельные затраты электричества на обработку исходной воды в анодной камере составили 1446 кулонов на 1 л. В результате электролиза был получен анолит с концентрацией активного хлора около 300 мг в 1 л. При этом величина pH анолита составила 7,8. При таком значении pH только около 25% активного хлора представлено хлорноватистой кислотой, и, следовательно, дезинфицирующая способность анолита далекa от максимальной. Как видно из приведенных данных, соотношение концентраций активного хлора в анолите и хлорида натрия в исходной воде в примере по способу-прототипу составило 1:10, что в 3,3 раза хуже, чем в заявляемом способе.

Следовательно, заявляемый способ позволяет получать дезинфицирующие растворы в оптимальном диапазоне pH, с более высокой степенью превращения хлорида натрия в активный хлор и, следовательно, с более низким остаточным солесодержанием, чем в способе-прототипе. Такие растворы (получаемые по заявляемому способу) можно использовать в качестве концентратов для получения (методом их разбавления, например, водопроводной водой) эффективных дезинфицирующих растворов (например, с концентрацией активного хлора 200 мг в 1 л), имеющих в несколько раз меньшее остаточное содержание хлоридов, и, следовательно, оказывающих меньшее коррозионное действие, чем по способу-прототипу. В случае, если дезинфицирующие растворы, получаемые по заявляемому способу, используются для обеззараживания воды (например, воды питьевого назначения, воды плавательных бассейнов, или сточных вод), то и в этом случае они имеют существенные преимущества. Последние заключаются в том, что, во-первых, вследствие более высокой концентрации активного хлора для их дозирования можно применять менее производительные и, следовательно, более дешевые насосы, а во-вторых, при их использовании в обеззараживаемую воду вносится в несколько раз меньшее количество хлоридов, чем по способу-прототипу.

Формула изобретения

Способ электрохимической обработки воды, включающий подачу исходной воды с растворенными в ней солями, концентрация которых составляет 1 - 10 г в 1 л, для электрохимической обработки в анодную камеру диафрагменного электролизера в зазор между анодом и пористой керамической диафрагмой, одновременную подачу воды в катодную камеру, где она проходит снизу вверх через зазор между катодом и указанной пористой керамической диафрагмой, приобретает восстановительные свойства и отводится из электролизера в верхней его части, при этом между анодом и катодом через воду в обеих камерах и пористую диафрагму, разделяющую эти камеры, проходит электрический ток, отличающийся тем, что исходную воду, подаваемую в анодную камеру, готовят, дозируя высокоминерализованную воду с концентрацией растворенных солей в пределах 5 - 35% в слабоминерализованную, электрохимическую обработку воды в анодной камере ведут с удельными затратами электричества в пределах от 3000 - 15000 кулонов на 1 л, в катодную камеру подают слабоминерализованную воду с расходом 0,2 - 4,0 л в 1 ч и с концентрацией растворенных солей ниже, чем в воде, подаваемой в анодную камеру, а величину рН анолита регулируют в диапазоне от 4,0 до 7,5 изменением расхода слабоминерализованной воды, подаваемой в катодную камеру.

РИСУНКИ

Рисунок 1

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 17-2004

Извещение опубликовано: 20.06.2004