Проточный бездиафрагменный электролизер воды

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к электрохимии, и может быть использована в промышленности и сельском хозяйстве для получения дезинфицирующих и биостимулирующих растворов.
Известно устройство, содержащее съемный активирующий модуль, выполненный с возможностью установки в емкость для электролиза и включающий горизонтальную пластину из диэлектрического материала, к которой прикреплены диафрагма с диафрагменным затвором и активирующие электроды со штекерными контактами - вилкой электропитания, диафрагма состоит из вертикальной перфорированной диэлектрической перегородки, разделяющей емкость для электролиза на две части, а диафрагменный затвор выполнен в виде перфорированной вертикальной пластины, установленной на диафрагме с возможностью плотного прилегания и перемещения в вертикальном направлении, причем перфорация в диафрагме и диафрагменном затворе выполнена с возможностью образования совместно перфорированных отверстий в положении опущенного вниз затвора и перекрытия перфорированных отверстий в диафрагме в поднятом положении затвора, при этом блок электропитания расположен внутри съемной крышки и выполнен на базе мостового выпрямителя переменного тока с ограничителем тока в виде светильника с лампой накаливания, расположенного на верхней части крышки, причем выпрямитель и лампа накаливания подключены к контактам электророзетки, для которой на внутренней перегородке съемной крышки имеются отверстия для подключения упомянутой вилки электропитания при закрывании крышки (патент РФ №2777782, C02F 1/461).
Наличие в устройстве диафрагменного затвора исключает последующее перемешивание образованных во время его работы анолита и католита, что позволяет получать с помощью него растворы с разным уровнем рН, но к существенным недостаткам устройства следует отнести высокую длительность процесса получения анолита и католита из-за большого расстояния между электродами, а также получение малого объема данных растворов и как следствие низкую производительность.
Известен электролизер, который содержит как минимум одну емкость с расположенными в ней электродами - как минимум одним анодом и как минимум одним катодом, источник питания постоянного тока в виде регулируемого источника напряжения. В электролизере как минимум один анод или один катод, или как минимум один катод и один анод выполнены с поверхностью в виде текстуры из пространственных пирамид, каждая из которых - с острой вершиной и острыми ребрами. Устройства бытового назначения представляют собой емкости, заполняемые активируемыми продуктами, выполненные в виде электрочайника, кружки, кастрюли, кулера, ванны, в которых устанавливается электролизер и производится электрохимическая активация продуктов (патент РФ №2437842, C02F 1/461).
Также известен электролизер, который выполнен в виде металлической трубки-катода с перфорированной нижней частью. Внутри трубки-катода выше ее перфорированной части размещена цилиндрическая диэлектрическая втулка с резьбовым отверстием, плотно прилегающая к внутренней поверхности металлической трубки-катода, с вкрученным в диэлектрическую втулку металлическим цилиндрическим стержнем-анодом, резьбовой конец которого частично выходит за пределы диэлектрической втулки, рабочая часть стержня-анода, расположенная в перфорированной части трубки-катода, покрыта слоем платины, на внутреннюю поверхность нижнего конца трубки-катода от ее торца до диэлектрической втулки и на поверхности отверстий перфорации нанесены слои инертного диэлектрика, внутри трубки-катода поверх диэлектрической втулки размещены батарея гальванических элементов, положительный вывод которой соприкасается с торцевой резьбовой частью стержня-анода, и металлическая пружина сжатия, соприкасающаяся нижним концом с отрицательным выводом батареи гальванических элементов, сверху трубка-катод закрыта металлической крышкой, в дно которой упирается верхний конец пружины сжатия (патент РФ №2350568, C02F 1/461).
Наиболее близким по технической сущности является электролизер, который содержит два коаксиально расположенных электрода: внешний электрод представляет собой трубку с продольным отверстием, внутренний электрод представляет собой трубку или стержень. Между электродами установлены диэлектрические втулки. Внутренняя поверхность внешнего электрода не имеет диэлектрического покрытия. Часть внешнего электрода, на которой выполнено продольное отверстие, представляет собой сектор цилиндра, а на конце электродов расположен электрический разъем для подвода к электродам напряжения (патент РФ №2636725, C02F 1/461).
Общими недостатками приведенных электролизеров являются низкая производительность и невозможность получения растворов с разным уровнем рН (анолита с рН<7 и католита с рН>7) из-за невозможности их разделения, так как обработка воды производится в замкнутых объемах.
Техническим результатом, является увеличение объема получаемых растворов с разным уровнем рН за счет создания потока воды внутри электролизера.
Указанный технический результат достигается тем, что проточный бездиафрагменный электролизер воды, содержащий два электрода - анод и катод, согласно изобретению имеет входные и выходные патрубки для создания и разделения потока воды, а также краны, установленные на входных патрубках для изменения скорости ее подачи в пределах 0,1-1 м/с, при этом электроды выполнены плоскими с расстоянием между ними 1 см, а сила тока через электролизер не более 5-10 А.
Новизна полезной модели обусловлена, тем, что за счет конструктивных особенностей обеспечивается получение больших объемов анолита и католита по сравнению с прототипом, за счет создания потока воды через электролизер и ее разделение на выходе на два потока с разным рН.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид проточного бездиафрагменного электролизера воды; на фиг. 2 представлена модель физико-химических процессов электролиза воды, показано поле распределения ее рН; на фиг. 3 представлен увеличенный фрагмент Ф модели физико-химических процессов электролиза воды на фиг. 2.
Проточный бездиафрагменный электролизер воды включает патрубки для подвода воды 1 и патрубки для вывода анолита 2 и католита 3, два электрода - анод 4 и катод 5, а также краны 6 установленные на выходных патрубках 2 и 3. Расположение анода 4 и катода 5 не принципиально, их расположение можно изменить, поменяв полярность. Вместо двух патрубков для подвода воды 1 может быть использован один общий.
Устройство работает следующим образом: через патрубки для подвода воды 1 в электролизер подается вода, которая заполняет весь внутренний объем электролизера и выходит через патрубки 2 и 3, тем самым образуя два потока. Далее на электроды - анод 4 и катод 5 подается постоянный ток, что приводит к процессу электролиза воды. При этом на поверхности анода 4 протекает реакция с образованием ионов водорода, которые насыщают протекающий мимо данного электрода поток воды, что снижает ее уровень рН и приводит к образованию анолита, который отводится через патрубок 2. На поверхности катода 5 протекает реакция с образованием гидроксильных ионов, которые насыщают протекающий мимо данного электрода поток воды, что повышает ее уровень рН и приводит к образованию католита, который отводится через патрубок 3. Регулирование производительности электролизера осуществляется с помощью кранов 6.
Для подтверждения эффективности работы заявляемого электролизера в Кубанском ГАУ было проведено математическое моделирование физико-химических процессов, протекающих в предлагаемом электролизере с помощью специализированного ПО Comsol Multiphasics 6.0. Моделирование было основано на базе уравнений Навье-Стокса для решения гидродинамической задачи, уравнения Нернста-Планка для описания движения заряженных химических частиц в жидкой среде, а также уравнения Батлера-Фольмера для описания электродной кинетики. Начальное значение рН в электролизере и рН подаваемой воды было принято равным 8,7 (значение рН воды в водопроводе Кубанского ГАУ). Краны 6 при моделировании не учитывались, а скорость потока воды задавалась во входных сечениях патрубков для подвода воды 1.
Результаты моделирования представлены в табл. 1 в которой показаны значения рН растворов анолита и католита при разной скорости скорости воды во входных патрубках электролизера и силе постоянного тока подаваемого на электроды; в табл. 2 в которой показаны значения рН получаемых растворов анолита и католита в зависимости от расстояния между электродами при скорости воды во входных сечениях патрубков 1 равной 1 м/с и силе тока 1 А; на фиг. 2, на которой представлено решение моделируемой задачи в виде поля распределения рН воды внутри заявляемого электролизера при средней скорости воды во входных сечениях патрубков 1 равной 1 м/с, силе постоянного тока подаваемого на электроды - 10 А; на фиг. 3 на которой показан фрагмент Ф поля распределения рН воды внутри электролизера в области выходных патрубков 2 и 3.
Как видно из табл. 1 увеличение скорости потока воды на входе в электролизер отрицательно сказывается на свойствах получаемых растворов: рН анолита увеличивается, а католита снижается. Дальнейшее увеличение скорости воды на входе свыше 1 м/с приведет к повышению производительности электролизера по объему получаемых растворов, но при этом рН получаемых анолита и католита будут ближе к рН исходной воды. Существует возможность повысить производительность электролизера по уровню значений рН получаемого анолита, увеличив силу постоянного тока, подаваемого на электроды до 7-10 А (табл. 1, строки 5 и 6). Но при этом уровень рН католита упадет даже по сравнению с вариантом, где сила тока в два раза ниже (табл. 1 строка 4). Это объясняется изменением объемов анолита и католита внутри электролизера при увеличении силы тока. В этом случаи объем анолита становится больше и его поток частично увлекается потоком католита в патрубок 3. Смешивание этих потоков приводит к уменьшению уровня рН католита (фиг. 2 и 3).
Из табл. 2 видно, что увеличение расстояния между электродами более 1 см отрицательно сказывается на рН анолита и католита. Чем больше расстояние, тем ближе рН получаемых растворов к рН исходной воды. При этом расстояние между электродами меньше 1 см возможно, но по нашему мнению, нецелесообразно ввиду увеличения вероятности забивания межэлектродного пространства солями, а также перемешивания анолита и католита из-за сближения потоков газов образующихся на поверхности электродов в процессе электролиза воды (на аноде будет выделяться, помимо ионов водорода, газообразный кислород, а также возможно выделение газообразного хлора, если его ионы присутствуют в исходной воде, а на катоде будет выделяться газообразный водород).
Таким образом, заявляемый проточный бездиафрагменный электролизер воды за счет конструктивных особенностей обеспечивает увеличение объема получаемых растворов с разным уровнем рН по сравнению с имеющимися аналогами.