ЭЛЕКТРОСОРБЦИОННЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к оборудованию электрохимической обработки воды в процессе водоподготовки питьевого и энергетического водоснабжения, и может быть использовано для очистки и обеззараживания воды различного происхождения и назначения, в том числе, и при очистке сточных вод в гидрометаллургии для извлечения металлов из водных растворов солей.
Известно устройство для электрохимической обработки растворов с целью электролитического извлечения металлов - автономный электрохимический модуль (RU 172796, C25C 7/00; 02.06.2000), включающий вертикальный цилиндрический проточный электролизер с узлом прокачки раствора, коаксиально расположенными анодом и катодом, выполненным на основе проточного объемно-пористого электродного материала, токоподвод анода и катода, соединенные с источником постоянного тока, сборную камеру, размещенную в нижней части электролизера и сообщающуюся с межэлектродным пространством, и индикатор предельного заполнения катода металлом. При этом узел прокачки раствора размещен в верхней части электролизера и выполнен обеспечивающим периодическую реверсивную циркуляцию раствора через катод, сборная камера выполнена открытой со стороны межэлектродного пространства и на внешней стороне ее закреплен проточный объемно-пористый материал катода, дополнительно модуль снабжен электродом сравнения, соединенным с входом потенциостата, первый выход которого подключен к электродвигателю узла прокачки раствора, а второй соединен с токоподводящими устройствами электродов, и внешним анодом, соединенным с внутренним анодом.
Данное устройство отличается конструктивной сложностью, а именно: наличие двух анодов - внутренний (графит) и внешний (платинированный титан), электрода сравнения, катода из металлизированного синтепона, насоса и узла прокачки, системы трубок и перегородок, потенциостата для регулирования тока и напряжения.
С помощью данного устройства можно извлечь из раствора только один из металлов, кроме того катодное осаждение ограничивается степенью заполнения пористого катода и пригодно для весьма низкой производительности до нескольких десятков литров в час.
Известен аппарат для электрохимической обработки воды (RU 2094381, CO2F 1/46), который может быть использован преимущественно для очистки котловой воды от солей жесткости и удаления растворенного кислорода, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода обрабатываемой воды и шлама и размещенные внутри корпуса анод и катод, подключенные к источнику постоянного тока, отличающийся тем, что анод выполнен из углеродсодержащего материала, расходуемого в режиме медленного горения, а катод выполнен в виде прямоугольной или цилиндрической упругодеформируемой оболочки, внутренняя полость которой соединена с генератором импульсов давления.
Применение генератора импульса давления снижает механическую прочность всей конструкции аппарата, но в особенности углеродсодержащего анода, а также увеличивает энергозатраты на электрохимическую обработку воды.
Известен аппарат для электрохимической обработки воды (RU 37085, CO2F 1/46, 08.12.2003 г.), включающий корпус с патрубками подвода и отвода отрабатываемой воды, патрубком слива шлама, расположенным в нижней части корпуса, и клапаном сброса парогазовой смеси, расположенным в верхней части корпуса, причем, внутри корпуса помещены, по крайней мере, один анод из токопроводящего углеродсодержащего материала и, по крайней мере, один расположенный параллельно аноду стальной катод, отличающийся тем, что катод выполнен из стали, поверхность которой подвергнута термической активации, в корпусе расположены перегородки, разделяющие его внутреннее пространство на зону обработки, зону входа и зону выхода обрабатываемой воды, причем зона входа имеет проход для воды в верхней части, а зона выхода - в нижней части.
К числу основных недостатков которого относятся следующие:
- уменьшение углеродсодержащего материала анода, как в объеме, так и по массе в результате горения электрической дуги, возникающей между электродами. Расход анода приводит к увеличению межэлектродного расстояния, что повышает энергозатраты процесса очистки воды.
- катодное осаждение солей жесткости, железа и других примесей также увеличивает энергозатраты из-за уменьшения проводимости в межэлектродном пространстве в результате обрастания катода обложениями диэлектрического типа: карбонаты кальция и магния, гидроксиды железа.
Кроме того, эксплуатация аппарата требует периодической очистки катода от отложений, замены анода, а также ограничения его применения по составу воды - оборотная котловая вода.
Известен блок очистки воды (RU 58525, C02F 1/46, 27.11.2006), позволяющий удалять, помимо хлора, запаха, привкуса и бактерий, также такие загрязнения, как взвешенные вещества, сероводород (меркаптан), нефтепродукты, железо, тяжелые металлы, сульфиты, карбонаты. Данный блок очистки воды, принятый за прототип, включает электрохимическую ячейку и установленную после электрохимической ячейки сорбционную ячейку, при этом электрохимическая ячейка снабжена корпусом со съемной крышкой, в которой расположены приспособления, выполненные в виде патрубков, для подвода и отвода воды, а также неподвижно закреплены отстоящие друг от друга коаксиально расположенные внешний и внутренний электроды, имеющие форму водопроницаемых полых цилиндров из не растворимого в воде материала, с возможным выполнением катода в виде сетки из стали и анода в виде пластин или сетки из титана с покрытием из переходного металла, и, кроме того, патрубок для отвода газа, при этом корпус электрохимической ячейки в нижней части снабжен патрубком для отвода загрязнений. Сорбционная ячейка снабжена двумя слоями гофрированного фильтрующего материала, между которыми находится сорбционный материал.
Известный блок очистки воды предполагает регулярную замену сорбционных элементов, выполненных из гофрированного фильтрующего материала, и сорбента, что увеличивает стоимость очистки воды и снижает производительность устройства. Снижает также эффективность работы устройства и быстрое загрязнение катода отложениями солей жесткости из очищаемой воды. Кроме того, размещение электрохимической и сорбционных ячеек в отдельных блоках, увеличивает стоимость устройства, вследствие достаточно высокой материалоемкости; двухблочная конструкция недостаточно удобна в эксплуатации.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание высокопроизводительного устройства, позволяющего эффективно осуществлять очистку любой воды без ограничения по составу и области применения.
Поставленная задача решается тем, что в электросорбционном фильтре, включающем корпус с патрубками подвода и отвода отрабатываемой воды, патрубком слива шлама, и клапаном сброса парогазовой смеси, размещенные внутри корпуса коаксиально расположенные электроды, согласно заявляемой полезной модели электроды выполнены из токопроводящего объемно-пористого материала, инертного к процессу анодного растворения и имеющего поры сквозного типа, межэлектродное пространство и прикатодная область заполнены гранулированной фильтрующей загрузкой, имеющей сорбционную активность к содержащимся в воде загрязняющим веществам, корпус оснащен токоподводами, которые соединены проводами с источником постоянного тока, снабженным амперметром и устройством переполюсовки.
Электроды в электросорбционном фильтре могут быть выполнены из углеродволокнистого материала (УВМ), имеющего катионитную сорбционную активность Электроды в электросорбционном фильтре могут быть выполнены из металлической сетки объемного плетения.
Электроды в электросорбционном фильтре могут быть выполнены из керамики, полученной методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СМС).
Электроды в электросорбционном фильтре могут быть выполнены из материалов, имеющих сорбционную активность к содержащимся в воде загрязняющим веществам.
Межэлектродное пространство и прикатодная область могут быть заполнены гранулированной фильтрующей загрузкой, обладающей поляризующими свойствами.
Устройство переполюсовки может быть оснащено реле времени.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом. На фиг. 1 схематически представлен сорбционный фильтр.
Электросорбционный фильтр включает корпус 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3 воды, патрубком слива шлама 4, клапаном сброса парогазовой смеси 5; внутри корпуса размещены коаксиально расположенные электроды - анод 6 и катод 7, выполненные из токопроводящего объемно-пористого материала с порами сквозного типа, межэлектродное пространство 8 и прикатодная область 9 заполнены гранулированной фильтрующей загрузкой 10, которая обладает сорбционной активностью к содержащимся в воде загрязняющим веществам и может обладать поляризующими свойствами, корпус 1 оснащен токоподводами 11, которые соединены проводами 12 с источником постоянного тока 13, снабженного амперметром 14 и устройством переполюсовки 15.
Электросорбционный фильтр работает следующим образом: исходную загрязненную воду из скважины подают насосом через патрубок подвода 2 в корпус 1 сорбционного фильтра. На гранулированной загрузке происходит фильтрация воды с ее очищением от механических примесей, в частности, глины. Одновременно с фильтрацией происходит сорбционная очистка - осаждение нефтепродуктов, катионов Fe и Mn или других веществ на поверхности гранул загрузки из-за ее сорбционной активности к ним.
Активность гранулированной загрузки может быть усилена, если применяют загрузку, обладающую поляризационными свойствами. В качестве такой загрузки может быть использован кварцевый песок, или графит, или корунд, гранулы которых поляризуются под воздействием электрического поля. После прохождения гранулированной загрузки 10 в прикатодной области 9 вода поступает через пористый катод 7 в межэлектродное пространство 8 и далее проходит сквозь пористый анод 6, в очищенном состоянии выходит из корпуса фильтра 1 через патрубок 3.
При прохождении через пористые электроды вода доочищается от механических включений.
В то же самое время, в объеме пористого катода 7 происходит электростатическое катодное осаждение растворенных в воде ионов металлов, солей жесткости.
Сквозной тип пор в объемно-пористом материале электродов обеспечивает проницаемость для воды, при этом размеры пор в материале электродов препятствуют проникновению твердых включений, поперечный размер которых превышает диаметр пор, тем самым достигается предварительная механическая очистка. Объемная структура пористых электродов создает объемный электростатический заряд, обеспечивающий максимально возможное взаимодействие с ионами загрязняющих веществ в очищаемой воде.
Устройство переполюсовки 15, которым оснащен источник постоянного тока 13 позволяет изменять полярность электродов в автоматическом режиме, в зависимости от массы осажденного на катоде загрязняющего вещества, пропорционально его концентрации в воде и количеству электричества. Устройство переполюсовки 15 может быть выполнено с реле времени, в этом случае изменение полярности электродов происходит через заданные промежутки времени, которые выставляются на основе расчетов времени отложения загрязняющих веществ на катоде для каждого типа загрязнений. Изменение полярности электродов с подачей на катод положительного потенциала напряжения, обеспечивает автоматическую регенерацию-восстановление токопроводящей способности катода, при этом с его поверхности удаляются отложения из загрязняющих веществ в виде мелкодисперсного шлама, который выводится из сорбционного фильтра через патрубок слива шлама 4.
Размещение гранулированной фильтрующей загрузки, имеющей сорбционную активность к содержащимся в воде загрязняющим веществам, например, нефтепродуктам и/или гумусовым веществам, и\или катионам в межэлектродном пространстве обеспечивает эффективность их удаления до уровня сорбционной емкости загрузки.
В случае, выполнения объемно-пористых электродов из материала, имеющего сорбционную активность по отношению к загрязняющим веществам, при наложении электрического поля, усиливается существенным образом и сорбционная активность и одновременно обеспечивается регенерация сорбционных свойств материала электрода.
Заявляемый электросорбционный фильтр позволяет с высокой производительностью осуществлять очистку воды за счет возможности регенерации и сорбционных свойств фильтрующей загрузки и электродов, обеспечиваемой конструктивными элементами устройства.