Аппарат для электролиза воды или водных растворов с получением анолита и католита
Изобретение относится к аппарату для электролиза воды или водных растворов с получением анолита и католита. Аппарат содержит цилиндрический корпус, закрытый с торцевых сторон двумя торцевыми крышками, катод в виде внутренней цилиндрической поверхности корпуса, стержневые аноды, продольно установленные внутри корпуса, и ионообменные диафрагмы, продольно расположенные в корпусе между анодами и катодом с образованием анодного пространства между диафрагмами и анодами и катодного пространства между диафрагмами и катодом, а также входы воды в анодное и катодное пространства, выход анолита из анодного пространства и выход католита из катодного пространства. При этом аппарат характеризуется тем, что он снабжен множеством стержневых анодов, равномерно размещенных по поперечному сечению корпуса, причем число стержневых анодов равно числу диафрагм, каждая из которых выполнена в виде трубки, охватывающей соответствующий стержневой анод, а конечные участки трубок установлены в корпусе посредством соответствующих дисков из диэлектрического материала, выполненных с отверстиями для каждой трубки и средствами уплотнения цилиндрической поверхности диска с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области электрохимии, более конкретно – к конструкции аппарата для получения анолита и католита из воды или водного раствора посредством электролиза.
Широко известны аппараты (электролизеры) для получения электрохимической обработки воды или водных растворов, содержащие наружный цилиндрический электрод, внутренний коаксиальный стержневой электрод и расположенную между ними коаксиальную ионообменную диафрагму (например, RU 2078737 C1, МПК C02F 1/461, 1997 или RU 96857 U1, МПК С02F 1/461, 2010). Известные электролизеры характеризуются недостаточной эффективностью и производительностью.
Известен также аппарат для получения электроактивированных жидкостей, содержащий цилиндрический корпус, закрытый с торцевых сторон двумя торцевыми крышками, электрод (катод) в виде внутренней цилиндрической поверхности корпуса, стержневые электроды (аноды), продольно установленные внутри корпуса, и ионообменные диафрагмы, продольно расположенные в корпусе между анодами и катодом с образованием анодного пространства между диафрагмами и анодами и катодного пространства между диафрагмами и катодом, а также входы воды в анодное и катодное пространства, выход анолита из анодного пространства и выход католита из катодного пространства (RU 76920 U, МПК C25B 1/46, 2008). Этот аппарат, принятый в качестве ближайшего аналога (прототипа) настоящего изобретения, содержит также переливную трубу для поддержания необходимого уровня жидкости и штуцеры для отвода газовой фазы.
В этом известном аппарате электролиз проходит с недостаточной эффективностью. Кроме того, известный аппарат характеризуется сложностью (неудобством) его разборки при необходимости обслуживания и ремонта аппарата, например, для очистки внутренности аппарата от отложений, образующихся в процессе электролиза, или при замене стержневых электродов.
Задачей настоящего изобретение является создание аппарата для электролиза воды и водных растворов с получением анолита и католита, который бы характеризовался достаточной эффективностью, а также простой и компактной конструкцией, обеспечивающей легкость разборки аппарата.
Указанная задача достигается тем, что аппарат (электролизер) для электролиза воды и водных растворов с получением анолита и католита, содержащий цилиндрический корпус, закрытый с торцевых сторон двумя торцевыми крышками, катод в виде внутренней цилиндрической поверхности корпуса, стержневые аноды, продольно установленные внутри корпуса, и ионообменные диафрагмы, продольно расположенные в корпусе между анодами и катодом с образованием анодного пространства между диафрагмами и анодами и катодного пространства между диафрагмами и катодом, а также входы воды в анодное и катодное пространства, выход анолита из анодного пространства и выход католита из катодного пространства, согласно настоящему изобретению снабжен множеством стержневых анодов, равномерно размещенных по поперечному сечению корпуса, причем число стержневых анодов равно числу диафрагм, каждая из которых выполнена в виде трубки, охватывающей соответствующий стержневой анод.
Основными техническими результатами, обеспечиваемыми настоящим изобретением, являются следующие. Аппарат по настоящему изобретению, характеризующийся вышеперечисленными признаками, обеспечивает более высокую эффективность электролиза при одинаковых с прототипом размерах корпуса или меньшие размеры корпуса при одинаковой эффективности. При этом наличие в аппарате по настоящему изобретению множества анодов, равномерно распределенных по поперечному сечению корпуса, дает возможность уменьшить отношение площади поперечного сечения корпуса аппарата к величине потока жидкости в нем, что дает очень мелкие пузырьки образующихся при электролизе газов, которые просто выводятся из аппарата по трубопроводам через соответствующие выходы анолита и католита, за счет чего отсутствует необходимость в переливной трубе и штуцерах для удаления газовой фазы.
Под эффективностью электролиза в данном описании понимается скорость изменения pH воды при данном расходе. При одинаковом расходе воды и ее одинаковых исходных характеристиках аппарат по настоящему изобретению обеспечивает значительное уменьшение времени повышения pH воды до 9,5 и выше.
Число анодов в аппарате по настоящему изобретению может составлять от 20 до 80.
Кроме того, все стержневые аноды предложенного аппарата на одном из их концов могут быть соединены друг с другом посредством общей шины, что обеспечивает удобство извлечения анодов из корпуса, например, с целью очистки его внутренней поверхности от отложений, образующихся в процессе электролиза, или для замены износившихся анодов. Торцевая крышка предложенного аппарата, установленная со стороны общей шины, может быть выполнена съемной, что обеспечивает дополнительное удобство извлечения анодов из корпуса при расположении общей шины внутри корпуса.
Далее, в предложенном аппарате конечные участки трубок могут быть установлены в корпусе посредством соответствующих дисков из диэлектрического материала, выполненных с отверстиями для каждой трубки и средствами уплотнения цилиндрической поверхности диска с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. Такое исполнение обеспечивает удобство извлечения трубок из корпуса, например, с целью очистки его внутренней поверхности от отложений, образующихся в процессе электролиза.
В преимущественном варианте выполнения предложенного аппарата выход анолита из анодного пространства и выход католита из катодного пространства расположены на конце корпуса, противоположном концу корпуса, на котором расположены входы воды для обеспечения прямоточности потока жидкости в аппарате, что дополнительно повышает эффективность процесса электролиза и обеспечивает более полный вывод образующихся при электролизе пузырьков газов. При этом вход воды в анодное пространство может быть выполнен в первой торцевой крышке, вход воды в катодное пространство – в цилиндрической поверхности корпуса у первой торцевой крышки, выход анолита выполнен во второй торцевой крышке, а выход католита – в цилиндрической поверхности корпуса у второй торцевой крышки.
В предложенном аппарате диафрагменные трубки выполнены преимущественно из из пористого керамического материала, катод выполнен из нержавеющей стали, а стержневые аноды выполнены из нержавеющей стали.
Кроме того, выходы анолита и католита в предложенном аппарате преимущественно снабжены регулируемыми ротаметрами для обеспечения возможности регулирования величины потока жидкости в аппарате.
На фиг. 1 схематически изображен предложенный аппарат в продольном разрезе.
На фиг. 2А-2С – схемы расположения диафрагменных трубок в корпусе предложенного аппарата.
Далее описана конструкция преимущественного варианта выполнения аппарата по настоящему изобретению.
Аппарат содержит цилиндрический корпус 1, закрытый с торцевых сторон первой крышкой 2 и второй крышкой 3, катод 4 в виде внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1, множество стержневых анодов 5, продольно установленных в корпусе 1, и ионообменные диафрагмы в виде продольных трубок 6 (фиг. 1). Корпус 1 может быть расположен как горизонтально, так и вертикально. Число анодов 5 равно числу трубок 6, причем каждый анод 5 вставлен в соответствующую трубку 6, другими словами, каждая трубка 6 охватывает соответствующий анод 5. Аноды 5 с охватывающими их трубками 6 равномерно размещены по поперечному сечению корпуса 1. Под равномерностью размещения в данном случае понимается расположение анодов 5 с соответствующими трубками 6 по существу на одинаковом расстоянии друг от друга, т.е. с одинаковым шагом S. Неограничивающие примеры схем такого расположения показаны на фиг. 2А-2С. Таким образом, каждая диафрагменная трубка 6 расположена между соответствующим ей анодом 5 и катодом 4 с образованием анодного пространства внутри трубок 6 (между внутренней поверхностью трубок 6 и соответствующими анодами 5) и катодного пространства между наружной поверхностью трубок 6 и внутренней поверхностью корпуса 1 (т.е. между диафрагменными трубками 6 и катодом 4). Вход 7 воды в анодное пространство выполнен в первой торцевой крышке 2, вход 8 воды в катодное пространство – в цилиндрической поверхности корпуса 1 у первой торцевой крышки 2, выход 9 анолита – во второй торцевой крышке 3, а выход 10 католита – в цилиндрической поверхности корпуса 1у второй торцевой крышки 3.
Все аноды 5 на одном из их концов соединены друг с другом посредством общей шины 11, подключаемой к плюсовой клемме источника постоянного тока (на чертежах не показан). Первая торцевая крышка 2, установленная со стороны общей шины 11, выполнена съемной, например, посредством фланцевого соединения. Конечные участки трубок 6 установлены в корпусе 1 посредством двух диэлектрических дисков 12, в которых выполнены отверстия для плотного расположения в них трубок 6. Диски 12 снабжены уплотнительными кольцами 13 в качестве средств уплотнения цилиндрической поверхности диска 12 с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1. На выходах 9, 10 установлены регулируемые ротаметры (на чертежах не показаны).
Диафрагменные трубки 6 с внутренним диаметром 6мм и наружным диаметром 10 мм выполнены из пористого керамического материала с размером пор 1 мкм (порог удержания = 1 мкм), а катод 4 и аноды 5 выполнены из нержавеющей стали. Как указано выше, в качестве катода 4 используют внутреннюю поверхность корпуса 1. При этом весь цилиндрический корпус 1 может быть использован в качестве катода 4.
Предложенный аппарат работает следующим образом. Аноды 5 через шину 11 подключают к положительному полюсу, а катод 4 – к отрицательному полюсу источника постоянного тока напряжением 220 В. Исходную воду, например, водопроводную, подают в аппарат через входы 7 и 8. Под действием постоянного электрического поля между катодом 4 и анодами 5 в анодном пространстве (внутри трубок 6) накапливаются отрицательно заряженные ионы с образованием анолита, имеющим pH = 3-6, а в катодном пространстве (между трубками 6) – положительно заряженные ионы с образованием католита, имеющим pH = 9-12. Анолит выводится из аппарата через 9, а католит – через выход 10. При увеличении силы тока и при уменьшении потока воды, подающейся в аппарат, разница между pH католита и pH анолита увеличивается. В зависимости от требуемых уровней рН силу тока регулируют от 10 до 90 А/м3. Величину потока воды можно регулировать ротаметрами на выходах 9, 10. С целью обеззараживания исходной воды, поступающий в аппарат, ее можно предварительно насыщать озоном.
В процессе проводимого в аппарате электролиза соли жесткости выпадают в осадок в катодном пространстве аппарата. Для очистки аппарата от осадка отключают источник тока и снимают первую крышку 2, после чего аноды 5, соединенные в один узел с шиной 11, а затем и диски 12 с закрепленными в них трубками 6, можно легко извлечь из аппарата. При необходимости износившиеся (подвергшиеся коррозии) аноды 5 можно легко заменить на новые.
Предложенный аппарат можно использовать для получения анолита и католита как таковых или для безреагентного получения умягченной воды путем объединения потоков полученных в аппарате анолита и католита с последующей подачей объединенного потока на ультрафильтрационную мембрану (на чертежах не показана).
1. Аппарат для электролиза воды или водных растворов с получением анолита и католита, содержащий цилиндрический корпус, закрытый с торцевых сторон двумя торцевыми крышками, катод в виде внутренней цилиндрической поверхности корпуса, стержневые аноды, продольно установленные внутри корпуса, и ионообменные диафрагмы, продольно расположенные в корпусе между анодами и катодом с образованием анодного пространства между диафрагмами и анодами и катодного пространства между диафрагмами и катодом, а также входы воды в анодное и катодное пространства, выход анолита из анодного пространства и выход католита из катодного пространства, отличающийся тем, что он снабжен множеством стержневых анодов, равномерно размещенных по поперечному сечению корпуса, причем число стержневых анодов равно числу диафрагм, каждая из которых выполнена в виде трубки, охватывающей соответствующий стержневой анод, а конечные участки трубок установлены в корпусе посредством соответствующих дисков из диэлектрического материала, выполненных с отверстиями для каждой трубки и средствами уплотнения цилиндрической поверхности диска с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса.
2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что число анодов составляет от 20 до 80.
3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что все стержневые аноды на одном из их концов соединены друг с другом посредством общей шины.
4. Аппарат по п. 3, отличающийся тем, что торцевая крышка, установленная со стороны общей шины, выполнена съемной.
5. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что выход анолита из анодного пространства и выход католита из катодного пространства расположены на конце корпуса, противоположном концу корпуса, на котором расположены входы воды.
6. Аппарат по п. 5, отличающийся тем, что вход воды в анодное пространство выполнен в первой торцевой крышке, вход воды в катодное пространство выполнен в цилиндрической поверхности корпуса у первой торцевой крышки, выход анолита выполнен во второй торцевой крышке, а выход католита - в цилиндрической поверхности корпуса у второй торцевой крышки.
7. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что трубки выполнены из пористого керамического материала.
8. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что катод выполнен из нержавеющей стали.
9. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что стержневые аноды выполнены из нержавеющей стали.
10. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что выходы анолита и католита снабжены регулируемыми ротаметрами.
