УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ИЛИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF WATER OR AQUEOUS SOLUTIONS

Изобретение относится к области электрохимической обработки воды и/или водных растворов солей с целью изменения их окислительных, восстановительных и структурных свойств. Изобретение может быть использовано для очистки, обеззараживания, структурирования и кондиционирования воды, катодного умягчения воды, а также для получения дезинфицирующих, моющих, стерилизующих, консервирующих, отбеливающих, профилактических растворов и растворов, устраняющих запахи.
Известно устройство для электрохимической обработки воды [патент РФ 2297981, опубл. 21.10.2005, фиг.3], которое имеет в своем составе наружный электрод в виде полого цилиндра и коаксиальный ему внутренний стержневой составной электрод. Кольцевая полость между электродами разделена коаксиальной перегородкой на внешнюю и внутреннюю камеры, снабженные входными и выходными патрубками. Конструкция имеет нижнее основание и верхнюю торцевую крышку. Соединение основания с электродами осуществлено при помощи болтов. Верхняя торцевая крышка присоединена к внутреннему электроду при помощи полого болта, одновременно являющегося выходным патрубком для внутренней камеры, с которой он соединен каналами, радиально проходящими через внутренний электрод. Основным недостатком конструкции является отсутствие унификации торцевых элементов, что усложняет ее изготовление.
Этого недостатка лишено устройство - проточный электрохимический модульный элемент для обработки жидкости [патент РФ 2145940, опубл. 27.02.2000], который имеет в своем составе, как и в описанном выше аналоге, внутренний стержневой электрод, наружный электрод, перегородку, разделяющую полость на внутреннюю и наружную камеру, каждая из которых имеет входной и выходной патрубки, которые закреплены на торцевых диэлектрических втулках, одинаковой конструкции для обоих торцов. Сборка конструкции осуществлена при помощи болтов, ввернутых в торцы внутреннего электрода. Несмотря на относительную унификацию, основным недостатком остается относительная сложность конструкции, поскольку узлы для ввода/вывода жидкости во внутреннюю камеру и в наружную камеру отличаются друг от друга, и в конструкции предусмотрено наличие дополнительных торцевых элементов крепления. Также недостатком является то, что подвод и отвод обрабатываемой жидкость осуществляется боковыми радиальными патрубками, что вызывает необходимость дополнительной подводки с использованием изогнутых труб (коленных отводов) для установки в линейную магистраль.
В качестве прототипа выбрано устройство для электролитической обработки воды [патент РФ 2132821, опубл. 10.07.1999]. Вертикальный проточный электролизер имеет в своем составе внутренний полый электрод, наружный электрод и перегородку, разделяющую кольцевую полость на внутреннюю и наружную камеру. На обоих торцах устройства имеется диэлектрическая втулка, которая закрывается диэлектрической колодкой, выполненной аналогично накидной гайке. Подвод и отвод обрабатываемой жидкости к внутренней камере осуществляется торцевыми радиальными патрубками - штуцерами, которые навинчиваются на торцы внутреннего электрода. Одновременно эти штуцеры являются крепежными элементами. Конструкция прототипа позволяет монтировать проточный электролизер в магистрали обрабатываемой жидкости без использования коленных отводов. Основным недостатком конструкции является недолговечность внутреннего электрода. Это вызвано тем, что в стенке внутреннего электрода имеются сквозные отверстия, через которые полость электрода сообщается с внутренней электролизной камерой. В электролизерах обычно используются электроды двух типов: металлические с покрытием из металлов платиново-иридиевой группы или графитовые. При выполнении электрода из металла наличие отверстий нарушает целостность защитного покрытия на внутреннем электроде, что приводит к электрохимической коррозии корпуса электрода при его контакте с агрессивной средой. При выполнении внутреннего электрода из графита наличие отверстий в трубчатой конструкции повышает хрупкость электрода. И в том и в другом случае срок службы внутреннего электрода существенно снижается по сравнению с целостными электродами (без отверстий в боковых стенках).
Таким образом, существует техническое противоречие: одни устройства надежны, но имеют избыточное количество конструктивных элементов - отдельно для подвода/отвода жидкости и отдельно крепежные элементы, например торцевые болты; другие устройства, например прототип, сравнительно проще, поскольку имеют элементы, совмещающие функции крепежа и подвода/отвода жидкости, но такие устройства имеют ограниченный срок службы и требуют частой замены внутренних электродов.
В основу изобретения поставлена задача - решить указанное противоречие и создать новое устройство для электрохимической обработки воды или водных растворов.
Достигаемый технический результат - повышение надежности (длительная эксплуатация устройства без замены внутреннего электрода) при сохранении возможности соосного подключения к магистрали обрабатываемой жидкости без использования коленных отводов (подключение напрямую).
Поставленная задача решается тем, что устройство для электрохимической обработки воды или водных растворов имеет в своем составе торцевые крышки, наружный трубчатый электрод, внутри которого коаксиально расположен внутренний электрод. Кольцевая полость между электродами разделена коаксиальной полупроницаемой диафрагмой на внутреннюю камеру и внешнюю камеру. Каждая камера снабжена входным и выходным патрубком, при этом входной и выходной патрубок внутренней камеры выполнены осевыми. Эти патрубки соединены с внутренним электродом при помощи резьбового соединения и фиксируют положение торцевых крышек. От прототипа устройство отличается тем, что в боковых стенках осевых патрубков выполнены отверстия, сообщающиеся с внутренней камерой через каналы. Эти каналы выполнены в торцевых крышках и ориентированы в радиальных плоскостях. Предпочтительно выполнение внутреннего электрода стержневым с глухими резьбовыми отверстиями на торце для образования винтовой пары с осевым патрубком, который в свою очередь снабжен резьбовым участком на наружной поверхности.
Более технологичным является исполнение торцевых крышек сборными, состоящими из двух частей, и выполнение каналов в частях, обращенных внутрь.
Каналы, ориентированные в радиальных плоскостях, могут быть перпендикулярными по отношению к оси устройства, а могут быть ориентированы к ней под углом.
Подробнее сущность изобретения поясняется описанным ниже примером реализации и поясняется чертежом, на котором представлено продольное сечение устройства.
Устройство содержит внутренний электрод 1, например, в форме стержня цилиндрической формы с торцевыми глухими осевыми отверстиями 2 с внутренней резьбой. Коаксиально внутреннему электроду 1 установлен полый цилиндрический (трубчатый) наружный электрод 3. Между электродами коаксиально им установлена полупроницаемая диафрагма 4, разделяющая кольцевую полость на внутреннюю камеру 5 и наружную камеру 6. Наружная камера 6 имеет входной и выходной патрубки 7′ и 7′′ соответственно, которые радиально закреплены на наружном электроде 3 и сообщаются с камерой 6 через отверстия в этом электроде. Внутренняя камера 5 имеет осевые входной и выходной патрубки (штуцеры) 8′ и 8′′ с внутренними осевыми несквозными отверстиями 9′ и 9′′ соответственно. На закрытом торце патрубка 8′, обращенном внутрь устройства, имеется цилиндрический выступ 10 с наружной резьбой для взаимодействия с резьбовым отверстием 2 на торце внутреннего электрода 1. Аналогичный выступ имеется на закрытом торце патрубка 8′′.
Устройство имеет торцевые крышки, идентичные друг другу с обоих торцов. Более технологичной является конструкция, в которой каждая торцевая крышка состоит из двух частей 11, 12. Обращенная наружу часть 12 сборной крышки поджимается выступом (расширяющейся частью, фланцем) на патрубке 8′ (8′′), который работает как головка болта, и шайбой 13. Между шайбой 13 и наружной поверхностью крышки зажат токоподводящий электрод 14. Второй токоподводящий электрод 15 закреплен на наружном электроде 3.
Обращенная внутрь часть крышки 11 представляет собой диэлектрическую втулку и имеет каналы 16, посредством которых осевые отверстия в патрубках 8′ (8′′) через отверстия 17 в боковых стенках патрубков сообщаются с внутренней полостью 5. Каналы 16 расположены в радиальных плоскостях и, предпочтительно, ориентированы под углом к оси устройства, а следовательно, к оси внутренней полости и к оси отверстия 9′ (9′′) патрубка, что уменьшает гидравлические потери. Для исключения прямого перетекания жидкостей между камерами 5 и 6 установлены уплотнительные кольца 18 на торцах диафрагмы 4. Герметичность устройства в целом достигается посредством уплотнительных колец 19, установленных между крышками и контактирующих с одной стороны с наружной поверхностью патрубков 8' (8") и с другой стороны с внутренней поверхностью наружного электрода 3.
Работа устройства иллюстрируется на следующих примерах, в которых токоподвод осуществлен таким образом, что внутренний электрод является анодом, а наружный - катодом.
В патрубок 8′ подается обрабатываемая жидкость, из патрубка 8′′ - отводится обработанная жидкость (анолит). В зависимости от того, какого свойства раствор необходимо получать, в устройство подается вода и/или различные солевые растворы. Патрубок 7′ предназначен для подачи обрабатывающей жидкости, например солевого раствора, патрубок 7′′ - для отвода солевого раствора (католита). Патрубки 7 и 7′′ могут быть объединены в единый внешний замкнутый контур (с подпиткой активного вещества).
Пример 1
Для получения анолита и католита в патрубок 8′ подают 1% раствор хлорида натрия. Через отверстия 17 и каналы 16 раствор поступает во внутреннюю электродную камеру 5. На электроды подается напряжение. Под давлением раствор через полупроницаемую диафрагму 4 поступает во внешнюю электродную камеру 6. В процессе работы устройства образуются два противоположно заряженных потока ионов на внешней и внутренней поверхностях диафрагмы 4, между потоками возникает разность потенциалов, что приводит к увеличению напряженности электрического поля в диафрагме, в результате повышается подвижность ионов в порах диафрагмы и снижается электрическое сопротивление устройства. В результате образуется электроактивированный раствор - анолит, который выводится через каналы в крышке и патрубок 8 м. Через патрубок 7 может также подаваться 1% раствор хлорида натрия.
Пример 2
Для получения дезинфицирующего раствора через патрубок 8′ подают воду, которая поступает во внутреннюю электродную камеру 5, как это описано выше, Одновременно через патрубок 7′ подают 30% раствор хлорида натрия, который циркулирует во внешнем замкнутом контуре, проходя через внешнюю электродную камеру 6. Вода, поступающая во внутреннею (анодную) электродную камеру, под действием окислительно-восстановительных процессов, происходящих в обеих камерах, насыщается ионами хлорноватистой кислоты, короткоживущими кислородными радикалами, небольшим количеством озона и двуокисью хлора за счет миграции ионов от внешней (катодной) электродной камеры и выводится через патрубок 8′′ в виде дезинфицирующего раствора.
Пример 3
Для получения дезинфицирующего раствора через патрубок 7′ подают 1-20% раствор хлорида натрия, который поступает во внешнюю катодную камеру, затем раствор выходит из патрубка 7′′ и через патрубок 8′ поступает во внутреннюю электродную камеру. Раствор, поступающий во внутреннюю (анодную) электродную камеру под действием окислительно-восстановительных процессов, происходящих в обеих камерах, насыщается ионами хлорноватистой кислоты, короткоживущими кислородными радикалами, небольшим количеством озона и двуокисью хлора за счет миграции ионов от внешней (анодной) электродной камеры и выводится через патрубок 8′′ в виде дезинфицирующего раствора.
Пример 4
Для обработки питьевой воды через патрубок 7′ подают воду из водопровода, которая поступает во внешнюю катодную камеру, затем вода выходит из патрубка 7′′ и через патрубок 8′ поступает во внутреннюю электродную камеру. Вода поступающая во внутреннею (анодную) электродную камеру под действием окислительно-восстановительных процессах происходящих в обеих камерах обеззараживается, изменяет окислительно-восстановительный потенциал и выводится через патрубок 8′′ в виде чистой питьевой воды.
Приведенными примерами не исчерпывается область применения заявленного устройства, так как в зависимости от используемых растворов и полярности электродов можно получать анолит и католит с другими заданными свойствами. Устройство можно также использовать для обеззараживания воды, изменения окислительно-восстановительного потенциала воды, катодного умягчения воды и других целей.
Устройство, изготовленное согласно изобретению, было испытано по известным методикам. В таблице представлены показатели его работы.
Наименование показателя
Значение
Объемная скорость протока, см<sup>3</sup>/с
12-22
Линейная скорость протока, см/с
25-64
Время обработки воды, с
0,3-1
Сила тока, А
0,5-55
Напряжение, В
30-120
Минерализация воды, г/л
0,05-2
Удельное количество электричества, Кл/л
22,5-135
Ресурс непрерывной работы, ч
50000
Значение водородного показателя рН
2-11
Значение окислительно-восстановительного потенциала, мВ
От (+990) до (-600)
Периодичность промывки устройства от катодных отложений
через каждые 300-360 часов работы
Как это видно из чертежа и приведенного выше описания, устройство имеет осевые патрубки для подвода/отвода обрабатываемой жидкости, что позволяет его подключать к магистрали напрямую без использования дополнительных переходников - коленных отводов. Эти же осевые патрубки одновременно являются крепежными элементами, поскольку как болты вкручиваются в торцевые отверстия внутренних электродов, зажимая электроды между торцевыми крышками. Крышки выполнены идентичными с обоих торцов. Каждая может быть выполнена сборной и состоять из двух частей - одной части, обращенной наружу, и второй части - внутренней втулки. В отличие от прототипа каналы для подвод/отвода обрабатываемой жидкости выполнены не во внутреннем электроде, а в диэлектрической втулке 11 (или собственно в крышке, если она не сборная). Это увеличивает межремонтные периоды для замены внутреннего электрода, поскольку он остается цельным и
- защищенным от электрокоррозии специальным покрытием, в случае если выполнен из металла,
- не имеет охрупчивающих его отверстий, в случае если выполнен их графита.
При такой конструкции и при выполнении каналов под углом к оси устройства не образуются застойные зоны и турбулентные завихрения на входе/выходе внутренней камеры.