Модульное устройство для деминерализации жидкостей

 

Изобретение относится к химической технологии. Модульная система для деминерализации водных растворов содержит множество переносных модульных блоков для деминерализации жидкостей. Каждый модульный блок капсулирован и имеет катод вблизи первого конца модульного блока и анод вблизи противоположного конца модульного блока, а также множество чередующихся отсеков разбавления и концентрирования. Отсеки разбавления и концентрирования ограничены при помощи анионо- и катионопроницаемых мембран, а внутри отсеков разбавления расположен ионообменный материал. Система содержит трубопровод для пропускания первой очищаемой жидкости через отсеки разбавления и трубопровод для пропускания второй жидкости через отсеки концентрирования для приема ионов из первой жидкости, средства для подачи электролита к катоду и аноду и средство получения очищенной жидкости из отсеков разбавления. Технический результат - уменьшение трудоемкости сборки и разборки устройства. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 15 ил.

Изобретение имеет отношение к созданию устройства для деминерализации жидкостей, а более конкретно касается устройства, которое содержит модульные блоки для деминерализации жидкостей.

Во многих областях промышленности большое значение имеет очистка жидкостей. В частности, чистую воду используют не только для питья, но и для различных промышленных целей. Например, чистая вода используется в процессах производства полупроводниковых кристаллов, на электростанциях, в нефтехимической промышленности, а также для решения многих других задач.

Для уменьшения концентрации ионных частиц в жидкости используют ионообменные смолы, фильтрацию с применением обратного осмоса и электродиализ.

С некоторых пор для уменьшения концентрации ионов в жидкости стали более часто применять аппараты электродеионизации. Термин "электродеионизация" обычно применяется по отношению к таким аппаратам и процессам очистки жидкостей, в которых для очистки жидкостей комбинированно используют ионообменные смолы, ионообменные мембраны и электричество. Модуль электродеионизации включает в себя чередующиеся конструкции катионопроницаемых мембран и анионопроницаемых мембран, ограничивающих расположенные между ними отсеки. В чередующихся отсеках размещаются шарики ионообменной смолы. Эти отсеки называются отсеками разбавления. Отсеки, в которых обычно не содержится ионообменная смола, называют отсеками концентрирования. При подаче электрического тока ионы мигрируют из отсеков разбавления через ионообменные шарики смолы и ионопроницаемые мембраны в отсеки концентрирования. Жидкость, которая протекает через отсеки концентрирования, удаляется или частично используется повторно, а очищенная жидкость, которая протекает через отсеки разбавления, поступает на выход в виде готового жидкого деминерализированного продукта.

Аппарат для электродиализа похож по конфигурации на аппарат для электродеионизации. Основное различие между аппаратами для электродиализа и для электродеионизации заключается в том, что в аппаратах для электродиализа не используют ионообменную смолу для содействия удалению ионов из жидкости, пропущенной через отсек разбавления. Часто в аппаратах для электродиализа для содействия удалению ионов из жидкости используют мембранную структуру, установленную в отсеке разбавления.

Имеются две основные конфигурации построения аппаратов для электродеионизации и для электродиализа: конфигурация с пластинчатой рамой и конфигурация со спиральной намоткой.

В патенте США N 4925541 раскрыт вариант построения устройства для электродеионизации с пластинчатой рамой и соответствующий способ. Удаление ионов из жидкости осуществляют в устройстве для электродеионизации, которое содержит множество суботсеков в отсеках разбавления. В этих суботсеках содержится смесь анионообменной смолы и катионообменной смолы. Суботсеки образованы множеством ребер, которые идут по длине отсеков разбавления или удаления (обеднения) ионов. В патенте США N 4636296 раскрыт другой вариант построения устройства с пластинчатой рамой и способ деминерализации водных растворов. В соответствии с этим патентом водный раствор пропускают через чередующиеся отдельные слои катионообменной смолы и анионообменной смолы.

Устройства с пластинчатой рамой имеют большие размеры и обычно имеют утечку, так как достаточно трудно герметизировать большие по размеру резервуары. Кроме того, размеры таких устройств часто неоправданно велики из-за отсутствия гибкого подхода к увеличению емкости при проектировании, что приводит к необходимости нежелательных высоких капвложений и значительных эксплуатационных расходов.

В патенте США N 5376253 раскрыто устройство для электрохимического обессоливания водных растворов. Это устройство имеет анионо- и катионопроницаемые мембраны, выполненные в виде спирали или намотки. Указанное устройство склонно к образованию утечек и относительно сложно в его изготовлении.

Увеличение или изменение полного выходного объема очищенной жидкости в устройстве с пластинчатой рамой является трудоемким, так как оно связано с разборкой устройства и с удалением или вводом дополнительных ионопроницаемых мембран, а также с установкой длинных соединительных стержней для осуществления полной сборки устройства. Увеличение или изменение полного выходного объема очищенной жидкости в устройстве со спиральной конфигурацией также является трудоемким, так как оно связано с разборкой устройства и с удалением или вводом более длинных или более коротких анионо- и катионопроницаемых мембран.

Желательно обеспечить легкое изменение полного выходного объема очищенной жидкости в устройстве для деминерализации жидкостей. Также желательно иметь электрохимическую ячейку для устройств электродиализа и электродеионизации, которую относительно легко можно устанавливать в существующие системы для обработки воды.

Недостатки существующих устройств преодолены в настоящем изобретении за счет создания модульного устройства для деминерализации жидкостей, которое содержит множество модульных блоков для деминерализации жидкостей, причем относительно легко может быть произведена сборка и разборка указанного устройства для замены модульных блоков или для увеличения или уменьшения расчетной емкости путем добавления или удаления модульных блоков в устройстве.

В более широком аспекте устройство для деминерализации жидкостей в соответствии с настоящим изобретением содержит множество модульных блоков для деминерализации водных растворов, установленных параллельно потоку жидкости и предназначенных для удаления ионов из жидкости. Устройство представляет собой модульную систему, образованную функциональными конструктивными блоками, размер и объемная емкость которых может быть относительно легко увеличена или уменьшена за счет увеличения или уменьшения числа указанных конструктивных блоков, то есть модулей. Каждый из модульных блоков или ячеек имеет катод и анод, а также средства приложения электрического напряжения между катодом и анодом. Множество чередующихся отсеков разбавления или деминерализации и отсеков концентрирования расположено между катодом и анодом. Ионообменный материал размещен внутри отсеков разбавления и может быть размещен внутри отсеков концентрирования. Устройство имеет средства для пропускания первой очищаемой жидкости через отсеки разбавления и средства для пропускания второй жидкости через отсеки концентрирования и для приема ионов из первой жидкости. Каждый модульный блок имеет также средства для пропускания электролита к катоду и аноду и от них, средства получения очищенной жидкости из отсеков разбавления и средства удаления концентрированной жидкости (отходов) из блока.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения каждый модульный блок представляет собой устройство для электродеионизации. В соответствии с иным аспектом настоящего изобретения каждый модульный блок представляет собой устройство для электродиализа. Модульные блоки установлены параллельно друг другу и имеют средство крепления с быстрым рассоединением, что позволяет быстро удалять (освобождать) модульные блоки из системы.

В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения переносный модульный блок, предназначенный для использования в модульной системе для деминерализации водных растворов, содержит жесткий компактный корпус, причем этот корпус имеет две расположенные напротив друг друга торцевые пластины, две расположенные напротив друг друга боковые пластины, верхнюю пластину и пластину основания, а также средства соединения для осуществления присоединения указанных торцевых пластин к боковым пластинам и для закрепления на них нижней и верхней пластин, с образованием непроницаемой для жидкости капсулирующей оболочки; указанный корпус имеет катодный отсек с катодом и анодный отсек с анодом, множество катионообменных мембран и анионообменных мембран, которые поочередно установлены между анодным отсеком и катодным отсеком с образованием отсеков деминерализации, каждый из которых ограничен сепараторами (промежуточными пластинами, распорками), имеющими анионообменную мембрану на стороне анода и катионообменную мембрану на сторону катода, причем указанный корпус также содержит отсеки концентрирования, каждый из которых ограничен сепараторами, имеющими катионообменную мембрану на стороне анода и анионообменную мембрану на стороне катода, а также пористое и проницаемое ионообменное заполнение указанных отсеков деминерализации, и средство крепления с быстрым разъединением модульного блока к трубопроводной сети модульной системы, при помощи которого модульный блок может быть удален из модульной системы или введен в нее.

Каждый из отсеков деминерализации содержит сепаратор с центральной удлиненной полостью для ввода в нее пористого и проницаемого ионообменника, причем этот сепаратор имеет канал впуска жидкости на одном конце и канал выпуска жидкости на противоположном конце, а также множество узких щелевых отверстий, образованных в сепараторе у каждого конца, смежного с полостью, и по меньшей мере один канал у каждого конца сепаратора для соединения канала впуска жидкости с узкими щелевыми отверстиями, смежными с полостью, и для соединения канала выпуска жидкости с узкими щелевыми отверстиями, в результате чего водный раствор может протекать через пористое и проницаемое ионообменное заполнение отсека деминерализации. Ионообменник преимущественно содержит пористую и проницаемую непрерывную фазу одного типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы и пористую дисперсную фазу кластеров другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы в непрерывной фазе.

Каждая из торцевых пластин и боковых пластин модульного блока имеет внешнюю поверхность и множество поперечных вертикальных упрочняющих ребер, распределенных с одинаковым смещением друг от друга на указанной внешней поверхности и образующих с ней единое целое, причем крышка блока главным образом расположена в одной плоскости с дистальными концами упрочняющих ребер и соединена с ними, что позволяет образовать жесткую пластинчатую коробчатую конструкцию с повышенной стойкостью к воздействию внутреннего давления.

Каждая из указанных боковых пластин имеет гнездо, выполненное в виде единого целого с ней на внешней поверхности, смежной с ее противоположными боковыми кромками, в виде продолжения поперечного ребра у каждого его конца, причем каждое гнездо имеет продольное отверстие для свободного ввода в него болта, и щель, пересекающую отверстие и предназначенную для ввода в нее гайки, согласованной с болтом, причем внутренняя форма щели имеет вид части шестигранника и предназначена для ввода в нее гайки, совмещенной по оси с болтом, и для ввинчивания по резьбе болта в гайку.

Каждая из указанных боковых пластин имеет бобышку, выполненную на внешней поверхности, смежной с ее противоположными боковыми кромками, у каждого конца поперечного ребра, причем каждая из указанных бобышек имеет отверстие для ввода в него болта при совмещении с сопряженным гнездом в боковой пластине.

Модульная система для деминерализации водных растворов содержит множество указанных переносных модульных блоков, причем переносные модульные блоки установлены в параллель, трубопроводную сеть для подачи водного раствора, который должен быть деминерализован, параллельно в модульные блоки, и для удаления деминерализованного водного раствора и концентрированной жидкости отходов параллельно из модульных блоков, средства для приложения электрического напряжения между анодом и катодом и средство присоединения с возможностью разъединения модульных блоков к трубопроводной сети, для быстрого добавления модульного блока в систему или удаления модульного блока из системы.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет ряд преимуществ, в том числе: 1) наличие электрических соединителей между модульными блоками позволяет производить быстрый монтаж устройства; 2) быстрое разъединение модульных блоков позволяет легко производить техническое обслуживание или замену модульных блоков; 3) наличие модульных блоков упрощает сборку и разборку устройства в целом; 4) относительно небольшие размеры модульных блоков позволяют осуществлять капсулирование блоков, в результате чего повышается сохранность блока и сводится к минимуму утечка; 5) полный выходной объем очищенной воды легко может быть увеличен или уменьшен в соответствии с проектными требованиями за счет добавления или удаления модульных блоков из системы, образованной и таких блоков.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного в качестве примера со ссылкой на чертежи.

На фиг. 1 показан вид в перспективе известного устройства для электродеионизации; на фиг. 2 - частично вид в сечении по линии 2 - 2 фиг. 1; на фиг. 3 - вид в перспективе первого варианта выполнения устройства для электродеионизации жидкости в соответствии с настоящим изобретением; для большей ясности чертежа модульный блок снят; на фиг. 4 - вид в перспективе преимущественного размещения ионообменного материала в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 5 - вид сверху, частично схематично, устройства, показанного на фиг. 3; на фиг. 6 показан вид в перспективе второго варианта выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 7 - вид в перспективе устройства на фиг. 6 с удаленным рядом модулей, чтобы показать коллекторы жидкости; на фиг. 8 -сечение и частично вид спереди соединения коллектора варианта выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг. 6; на фиг. 9 - вид в перспективе корпуса другого варианта осуществления изобретения; на фиг. 10 - развернутый вид в перспективе компонентов варианта выполнения устройства, показанного на фиг. 9; на фиг. 11 - вид в перспективе с увеличением преимущественного варианта выполнения сепаратора отсека разбавления варианта выполнения устройства, показанного на фиг. 10; на фиг. 12 - вид в перспективе модульной системы в соответствии с настоящим изобретением, причем можно видеть пакеты (штабеля) установленных рядами модульных блоков; на фиг. 13 - вид в перспективе трубопроводной сети в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 14 - вид в перспективе, с частичным вырывом, боковой пластины корпуса модуля, показанного на фиг. 11; на фиг. 15 - вид в перспективе с частичным вырывом торцевой пластины корпуса модуля, показанного на фиг. 11; Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, на которой показан пример построения известного устройства с пластинчатой рамой для электродеионизации 10, при помощи которого из жидкости могут быть удалены ионы. В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения производится удаление ионов натрия и хлорида из воды.

Устройство для электродеионизации 10 содержит прямоугольную раму 12. Рама 12 имеет жесткую переднюю пластину 14 и жесткую заднюю пластину 16, изготовленные из металла. Передняя пластина 14 и задняя пластина 16 соединены между собой при помощи соединительных шпилек или болтов 18. Каждая из шпилек 18 пропущена через одно из отверстий 20, расположенных на одинаковом расстоянии от края передней пластины 14, а также через одно из соответствующих отверстий 18а в задней пластине 16. Катод 22 (фиг. 2) расположен вблизи от передней пластины 14 в катодном отсеке 23, а анод 24 расположен вблизи от задней пластины 16 в анодном отсеке 25.

Имеющиеся в передней пластине 14 отверстия 26 предназначены для подачи жидкости в устройство для электродеионизации 10 для проведения ее обработки. Изолирующий электродный блок 28, который образует электродный отсек, упирается по периметру в переднюю пластину 14, а изолирующий электродный блок 30, который образует электродный отсек, упирается по периметру в заднюю пластину 20. Устройство для электродеионизации 10 содержит множество чередующихся катионопроницаемых мембран и анионопроницаемых мембран 32, которые находятся между изолирующими электродными блоками 28 и 30. Катионопроницаемые мембраны и анионопроницаемые мембраны 32 ограничивают чередующиеся отсеки концентрирования и разбавления, что будет описано далее.

На фиг. 2 схематично изображены отсеки концентрирования 44, 46 и более детально отсек разбавления 48, расположенный между ними. Катионопроницаемые мембраны 36, 38 и анионопроницаемые мембраны 40, 42 ограничивают отсеки концентрирования и отсек разбавления. Между мембранами в отсеках концентрирования и разбавления установлены сепараторы (не показаны). Сепараторы в отсеках разбавления 48 имеют отверстия для размещения ионообменного материала, такого как шарики 49 ионообменной смолы. Следует иметь в виду, что ионообменная смола может быть также размещена и в отсеках концентрирования.

На фиг. 4 показан преимущественный вариант размещения ионообменного материала в соответствии с настоящим изобретением внутри отсека разбавления 48, показанного на фиг. 2. Слой 40 пористой и проницаемой непрерывной фазы (то есть матрицы) ионообменного материала 50 содержит множество смещенных друг от друга цилиндров пористых и проницаемых кластеров второго ионообменного материала 52, диспергированных внутри матрицы 50 в направлении, поперечном относительно плоскости слоя. Ионообменные материалы 50 и 52 преимущественно содержат частицы ионообменной смолы в виде шариков. Ионообменный материал 50 и ионообменный материал 52 обменивают противоположно заряженные ионы. Например, если непрерывная фаза ионообменного материала 50 представляет собой катионообменный материал, который будет иметь фиксированные отрицательные заряды для улавливания (захвата) катионов, то дисперсная фаза ионообменного материала 52 представляет собой анионообменный материал, который будет иметь фиксированные положительные заряды для улавливания анионов. Поперечное размещение кластеров дисперсной фазы ионообменного материала, обеспечивающее перекрытие или шунтирование отсеков разбавления, гарантирует, что водный раствор, который протекает внутри отсеков разбавления 48, вступает в контакт с обеими формами ионообменной смолы для эффективного обмена катионов и анионов. Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, 2 и 4, на которых показано, что обрабатываемый водный раствор протекает через отверстия 26, а затем через отсеки концентрирования 44, 46 и через отсек разбавления 48. Струи (потоки) жидкости, показанные стрелками 54 и 56, протекают соответственно через отсеки концентрирования 44 и 46, а струя жидкости, показанная стрелкой 58, протекает через отсек разбавления 48. Водный раствор содержит ионы, такие как ионы натрия и хлорида.

Электрический ток течет между катодом 22, расположенным в катодном отсеке 23, и анодом 24, расположенным в анодном отсеке 25. Сила тока между катодом 22 и анодом 24 может регулироваться для управления эффективностью процесса электродеионизации.

Когда очищаемая жидкость втекает в отсек разбавления 48, как это показано стрелкой 58, она вступает в контакт с шариками ионообменной смолы, как это показано, например, на фиг. 4. Катионообменная смола 50 имеет фиксированные отрицательные заряды и улавливает (захватывает) катионы, такие как ионы натрия, имеющиеся в жидкости. Анионообменная смола 52 имеет фиксированные положительные заряды и улавливает анионы, такие как ионы хлорида, имеющиеся в жидкости. Когда имеет место ионообмен между очищаемой жидкостью и шариками катионообменной 50 и анионообменной 52 смолы, то приложенное (возникающее) напряжение побуждает нежелательные катионы и анионы, в данном случае соответственно ионы натрия и хлорида, проходить через мембраны 38 и 40 и поступать в смежные отсеки концентрирования 46 и 44. Ионообменная смола размещена в поперечном направлении относительно потока жидкости по стрелкам 53, как это показано на фиг. 4. Такое размещение позволяет большей части жидкости, протекающей через отсек разбавления 48, вступать в контакт с ионообменным материалом 50 и 52.

В соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения для очистки воды электрический ток вызывает некоторое расщепление воды на ионы водорода и гидроксильные ионы. Ионы водорода транспортируются через катионообменную смолу 50 к катионообменной мембране 38, а затем через катионообменную мембрану 38 поступают в отсек концентрирования 46, как это показано стрелками 66. Гидроксильные ионы транспортируются через анионообменную смолу 52 к анионопроницаемой мембране 40, а затем через анионопроницаемую мембрану 40 поступают в отсек концентрирования 44, как это показано стрелками 62. Таким образом, материал ионообменной смолы 50 и материал ионообменной смолы 52 непрерывно регенерируются.

Анионные загрязнения, например, ионы хлорида в воде, очищаемой в камере разбавления 48, отбираются материалом ионообменной смолы 52 за счет использования известного механизма ионообмена, а затем транспортируются совместно с гидроксильными ионами через анионообменную смолу к анионопроницаемой мембране 40 и проходят через нее, поступая в отсек концентрирования 44, как это показано стрелками 60. Одновременно, эквивалентное количество ионов водорода и катионных загрязнений транспортируется из смежного отсека разбавления в камеру концентрирования 44, как это показано стрелками 70.

Катионные загрязнения, например ионы натрия в воде, очищаемой в камере разбавления 48, отбираются материалом катионообменной смолы 50 за счет использования известного механизма ионообмена, а затем транспортируются совместно с ионами водорода через катионообменную смолу к катионопроницаемой мембране 38 и проходят через нее, поступая в отсек концентрирования 46, как это показано стрелками 64. В то же самое время эквивалентное количество гидроксильных ионов и анионных загрязнений транспортируется из смежного отсека разбавления в камеру концентрирования 46, как это показано стрелками 68.

Вода протекает через отсеки концентрирования 44 и 46 и поступает в бак отходов (не показан) или рециркулируется. Очищенная вода протекает через отсек разбавления 48 и выдается как готовый продукт.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 3 и 5, на которых показан пример построения устройства 74 для деминерализации жидкости, такой как вода, в соответствии с настоящим изобретением. Это устройство содержит множество модульных блоков 76 для электродеионизации или электродиализа. Указанные модули 76 установлены в смещенных друг от друга рядах или стойках 77 и 79.

Обрабатываемая жидкость протекает через питающий трубопровод 80 в направлении по стрелке 82 (фиг. 3 и 5) между рядами модулей 77 и 79. Питающий трубопровод содержит несколько боковых соединительных трубопроводов 84, которые позволяют жидкости параллельно втекать в каждый из модулей 76 в рядах 77 и 79. Поток жидкости из питающего трубопровода в модули 76 показан стрелками 86 на фиг. 5. Одновременно жидкие отходы протекают через трубопровод отходов 81 в направлении по стрелке 83 между рядами 77 и 79 модулей 76. Трубопровод отходов 81 содержит несколько боковых соединительных трубопроводов 85, которые позволяют жидкости параллельно втекать в каждый из модулей 76 в направлении по стрелке 87.

После очистки жидкости в модулях 76, как это было описано ранее, она параллельно вытекает из модулей 76 в рядах 77 и 79, как это показано стрелками 88 на фиг. 5, через боковые трубопроводы 90 в коллекторную трубу продукта 92, что показано на фиг. 5 стрелкой 102. Отходы из отсеков разбавления вытекают из модулей 76 параллельно через трубопроводы 96, что показано стрелками 98, и поступают в трубопровод сбора отходов, что показано стрелкой 100.

Электролит протекает через отсеки, которые содержат катод и анод. Электролит протекает через трубопровод 104 (фиг. 3) и далее через несколько боковых соединительных трубопроводов 106 из модулей 76 в рядах 77 и 79 в направлении, показанном стрелками 108.

Модули в рядах 77 и 79 преимущественно имеют отдельные электрические предохранители.

На фиг. 6 - 8 показан другой вариант выполнения устройства 120 в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 120 содержит множество модулей электродеионизации или электродиализа 122, установленных в рядах 123 и 125.

На фиг. 6 показан типичный модуль 122, отделенный от стойки модулей. Модуль 122 имеет отверстия в одной из его торцевых пластин 125, которые позволяют пропускать поток жидкости из модулей 122 к коллекторам 130 и 132. Отверстия 134, 136 и 138 позволяют соответствующим потокам отходов (концентрата), электролита и очищенной жидкости протекать из модулей в соответствующие трубопроводы коллектора 130. Отверстие 140 предназначено для ввода очищаемой жидкости, а отверстие 142 предназначено для ввода жидкости, которая позволяет удалить жидкие отходы (концентрат). Коллекторы 130 и 132 имеют соединители 144 для подключения к модулям 122.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 8, на которой показан соединитель 144 в виде короткой трубы с уплотнительным кольцом 146, которое с трением входит в отверстия 134, 136, 138, 140 и 142 модулей 122 и обеспечивает герметичное жидкостное соединение с коллекторами 130 и 132. На фиг. 8 показано поперечное сечение коллектора 130, который содержит трубопроводы 148, 150 и 152, предназначенные соответственно для протекания потоков очищенной жидкости, электролита и отходов.

На фиг. 9-15 показан другой вариант выполнения модульного блока устройства в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 9 и 10 показан вариант выполнения корпуса модуля 160, который содержит боковые пластины 162 и торцевые пластины 164, соединенные болтами 166. Верхняя и нижняя пластины 168, 170, введенные в пазы, закрывают модуль. Пластины корпуса изготовлены из такого материала, как нержавеющая сталь или алюминиевый сплав, и имеют коробчатую конструкцию, позволяющую обеспечить жидкостную герметичность корпуса, в котором капсулированы внутренние компоненты. Изолирующий электродный блок 172 из ПВХ, имеющий впускную и выпускную трубы и расположенный вблизи от торцевой прокладки 174 у одного из концов корпуса, содержит титановый анод 176 с платиновым покрытием, а изолирующий электродный блок 178 из ПВХ, расположенный вблизи от торцевой прокладки 180 у противоположного конца корпуса, содержит катод 182 из нержавеющей стали. Полипропиленовый сетчатый электродный сепаратор 184, сепаратор 185 электродного отсека и катионопроницаемая мембрана 186 установлены на анодном конце модуля. Затем установлен сепаратор 188 отсека концентрирования рядом с анионопроницаемой мембраной 190, которая упирается в сепаратор 192 отсека деминерализации или разбавления, в котором расположен ионообменный материал, то есть ионообменник 40, такой, как это показано на фиг. 4. Сепараторы 188 и 192 могут быть изготовлены из полипропилена литьем под давлением.

В центральной части модуля содержится множество пар отсеков 196 разбавления/ концентрирования. Катионопроницаемая мембрана 198 установлена рядом с сепаратором 200 отсека концентрирования, а затем установлены катионопроницаемая мембрана 202 и сепаратор 204 электродного отсека, который упирается в катод 182 из нержавеющей стали.

На фиг. 11 показан сепаратор (промежуточная пластина) 192 разбавителя, который установлен в полости 199, ограниченной боковыми сторонами 201, 203 и концами 205, 206, ионообменного слоя 40, который содержит непрерывную фазу ионообменного материала 50 и дискретные смещенные друг от друга цилиндры или кластерные островки второго ионообменного материала 52, причем цилиндры 52 проходят сквозь слой 40 и открыты с двух его сторон. Дискретные островки или кластеры 52 могут быть образованы неглубоким слоем или листом непрерывной фазы частиц ионообменной смолы первого и второго ионообменного материала, преимущественно связанных полимерной связкой, при помощи вырубания кластеров желаемого размера и формы из указанного листа. Лист непрерывной фазы частиц ионообменной смолы ионообменного материала, имеющих противоположный заряд и связанных полимерной смолой, имеет множество отверстий, форма и размер которых соответствует кластерам 52, вырубленным из него. В этот лист могут быть вставлены (введены) на плотной посадке трения высеченные кластеры 52, имеющие противоположный заряд, что позволяет образовывать ионообменники. Термопластичное полимерное связующее вещество, такое как полиэтилен малой плотности, линейный полиэтилен малой плотности или нечто подобное, в количестве, достаточном для образования связного (единого) листа или слоя с конструкцией, удобной для обращения, но при сохранении хорошей пористости, проницаемости для жидкости и ионообменной емкости, может быть использован для образования исходных (стартовых) листов первого и второго ионообменного материала. Канал 208 для впуска жидкости соединен с полостью 198 при помощи каналов 210, которые заканчиваются множеством узких щелевых отверстий 212, причем отверстия 212 имеют ширину, меньшую среднего размера частиц, например, шариков ионообменной смолы, которые образуют слой 40. Канал выпуска жидкости 214 соединен с полостью 198 при помощи каналов 216 с множеством узких щелевых отверстий 218. Крышки 220 закрывают каналы 210 и 216. За счет этого миграция материала смолы блокируется и материал смолы эффективно сохраняется в сепараторе разбавителя при протекании потока жидкости.

На фиг. 12 показана типичная стойка модульных блоков 160, установленная в раме 230. На фиг. 13 показана трубопроводная сеть, которая включает в себя трубопровод 232 для очищаемого водного раствора, трубопровод 234 для жидкости, необходимой для уноса загрязнений, а также трубопровод 236 для очищенной жидкости, трубопровод 238 для жидких отходов и трубопровод 240 для электролита. Соединительные коробки 242 обеспечивают электрическое подключение анодов и катодов при помощи проводов 244, 246 (фиг. 12) с индивидуальными плавкими предохранителями.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 14, где показана более подробно боковая пластина 162, которая включает в себя внутреннюю плоскую стенку 230 и множество поперечных вертикальных упрочняющих ребер 232, 234, установленных на одинаковом расстоянии друг от друга по длине пластины 162 на внешней поверхности 236 и выполненных в виде единого целого с ней. Тонкие ребра 232 и толстые центральные ребра 234 соединяют между собой гнезда 238, 240, образованные на противоположных боковых кромках 242, 244 пластины 162. Прямоугольная крышка 246 расположена главным образом в одной плоскости с дистальными концами 248 ребер 232, 234 и соединена с ними с образованием жесткой коробчатой конструкции боковой пластины 162, обладающей повышенной стойкостью к воздействию внутреннего давления.

Каждое из гнезд 238, 240 имеет отверстие 248 с небольшой зенковкой, приспособленное для ввода в него тела 250 болта 166 (фиг. 9), и щель 252, поперечную отверстию 248 и приспособленную для ввода в нее гайки 254, обычно шестигранной гайки, в которую входит по резьбе тело 250 болта. Внутренняя поверхность щели 252 имеет форму четырех граней шестигранника для установки и центрирования в ней гайки 254 с обеспечением осевого совмещения с отверстием 248, что препятствует проворачиванию гайки 254 и позволяет ввинтить в нее тело 250 болта.

Каждая из торцевых пластин 164, показанная более детально на фиг. 15, имеет множество поперечных вертикальных упрочняющих ребер 260, установленных на одинаковом расстоянии друг от друга по длине пластины на ее внешней поверхности 262 и выполненных в виде единого целого с ней; эти ребра соединяют между собой бобышки 264, имеющие отверстия для ввода в них болтов 166. Прямоугольная крышка 266 расположена главным образом в одной плоскости с дистальными концами 268 ребер 260 и соединена с ними с образованием жесткой коробчатой конструкции торцевой пластины 164, обладающей повышенной стойкостью к воздействию внутреннего давления.

Множество болтов 166, затянутых до желательного уровня крутящего момента, эффективно скрепляют торцевые пластины 164 с боковыми пластинами 162 и блокируют верхнюю и нижнюю пластины 168 во внутренних пазах стенок с образованием непроницаемого для жидкости капсулированного корпуса, который может эффективно выдерживать внутреннее давление 150 psig или более без утечки жидкости.

Модульная система в соответствии с настоящим изобретением обладает рядом важных преимуществ. Модульные блоки являются компактными, для их переноса достатолчно двух человек для осуществления их установки или замены. Компактные блоки обычно являются непроницаемыми для жидкости и обеспечивают эффективное капсулирование. Небольшой размер блоков позволяет осуществлять их легкую смену, позволяя избежать необходимости полевого ремонта. Параллельное расположение блоков позволяет увеличивать или уменьшать емкость системы за счет ввода или устранения модульных блоков. Отказ одного из блоков не приводит к отказу системы в целом. Каждая конфигурация системы может обслуживаться общей трубопроводной сетью, общими клапанами, насосами и т.п., что уменьшает капвложения и снижает эксплуатационные расходы. Система с восемью блоками единичной номинальной производительностью 12,5 галлонов США в минуту (gpm) позволяет получить на выходе 100 gpm. При установке пакета из 8 блоков сверху над системой из 8 блоков производительность системы удваивается и достигает 200 gpm. Стандартными являются системы с производительностью 100, 300, 600 gpm и более.

Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Переносной модульный блок, предназначенный для использования в модульной системе для деминерализации водных растворов, отличающийся тем, что он содержит жесткий компактный корпус, причем этот корпус имеет две расположенные напротив друг друга торцевые пластины, две расположенные напротив друг друга боковые пластины, верхнюю пластину и пластину основания, а также средства соединения для осуществления присоединения указанных торцевых пластин к боковым пластинам и для закрепления на них нижней и верхней пластин, с образованием непроницаемой для жидкости капсулирующей оболочки, при этом указанный корпус имеет катодный отсек с катодом и анодный отсек с анодом, множество катионообменных мембран и анионообменных мембран, которые поочередно установлены между анодным отсеком и катодным отсеком с образованием отсеков деминерализации, каждый из которых ограничен сепараторами, имеющими анионообменную мембрану на стороне анода и катионообменную мембрану на стороне катода, причем указанный корпус также содержит отсеки концентрирования, каждый из которых ограничен сепараторами, имеющими катионообменную мембрану на стороне анода и анионообменную мембрану на стороне катода, причем сепаратор отсека деминерализации снабжен центральной удлиненной полостью для ввода пористого и проницаемого ионообменника и каналом впуска жидкости на одном конце и каналом выпуска жидкости на противоположном конце, а также множество узких щелевых отверстий, образованных в сепараторе у каждого его конца, смежного с полостью, и по меньшей мере один канал у каждого конца сепаратора для соединения канала впуска жидкости с узкими щелевыми отверстиями, смежными с полостью, и для соединения канала выпуска жидкости с узкими щелевыми отверстиями, в результате чего водный раствор может протекать через пористый и проницаемый ионообменник, заполняющий указанный отсек деминерализации, причем указанный ионообменник содержит пористую и проницаемую непрерывную фазу одного типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы и пористую и проницаемую дисперсную фазу кластеров другого типа частиц катионообменной смолы или частиц анионообменной смолы, находящихся в непрерывной фазе, и средство крепления с быстрым разъединением модульного блока к трубопроводной сети модульной системы, при помощи которого модульный блок может быть удален из модульной системы или введен в нее.

2. Модульный блок по п.1, отличающийся тем, что ширина узких щелевых отверстий меньше среднего размера частиц катионо- или анионообменной смолы, в результате чего исключена миграция частиц смолы при протекании жидкости.

3. Модульный блок по п.1, отличающийся тем, что каждая из торцевых пластин и боковых пластин имеет внешнюю поверхность и множество поперечных вертикальных упрочняющих ребер, распределенных с одинаковым смещением друг от друга на указанной внешней поверхности и образующих с ней единое целое, причем крышка блока главным образом расположена в одной плоскости с дистальными концами упрочняющих ребер и соединена с ними, что позволяет образовывать жесткую коробчатую конструкцию с повышенной стойкостью к воздействию внутреннего давления.

4. Модульный блок по п.3, отличающийся тем, что каждая из указанных боковых пластин имеет гнездо, выполненное в виде единого целого с ней на внешней поверхности, смежной с ее противоположными боковыми кромками, в виде продолжения поперечного ребра у каждого его конца, причем каждое гнездо имеет продольное отверстие для свободного ввода в него болта, и щель, пересекающую отверстие и предназначенную для ввода в нее гайки, согласованной с болтом, причем внутренняя форма щели имеет вид части шестигранника и предназначена для ввода в нее гайки, совмещенной по оси с болтом, и для ввинчивания по резьбе болта в гайку.

5. Модульный блок по п. 4, отличающийся тем, что каждая из указанных боковых пластин имеет бобышку, выполненную на внешней поверхности, смежной с ее противоположными боковыми кромками, у каждого конца поперечного ребра, причем каждая из указанных бобышек имеет отверстие для ввода в него болта при совмещении с сопряженным гнездом в боковой пластине.

6. Модульная система для деминерализации водных растворов, отличающаяся тем, что она содержит множество переносных модульных блоков в соответствии с любым из пп.1-5, причем переносные модульные блоки установлены в параллель, трубопроводную сеть подачи водного раствора, который должен быть деминерализован, параллельно в модульные блоки, и для удаления деминерализованного водного раствора и концентрированной жидкости отходов параллельно из модульных блоков, средства для приложения электрического напряжения между анодом и катодом и средство присоединения, с возможностью разъединения, модульных блоков к трубопроводной сети, для быстрого добавления модульного блока в систему или удаления модульного блока из системы.

7. Модульная система по п.6, отличающаяся тем, что средство присоединения с возможностью разъединения модульных блоков представляет собой средство крепления с быстрым разъединением.

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, Рисунок 15