Электродная камера электродиализатора

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области изделий для электрохимической промышленности, для электролиза или электрохимического разделения и обработки растворов электролитов, в частности, к конструкции электродных камер электродиализаторов с полупроницаемыми ионообменными мембранами, применяемых для деминерализации, концентрирования, разделения и коррекции pH растворов, и может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической промышленности и смежных областях.
Уровень техники
Электродиализатор может быть выполнен в форме пакета чередующихся ионообменных мембран и прокладок, стянутого прижимными плитами, содержащими электродные камеры с электродами и пространством для электродных растворов.
Пример конструкции электродиализатора представлен в патенте на изобретение № RU 2234359 C1, МПК B01D 61/50, опубл. 20.08.2004, Бюл. № 23. Пакеты мембран и прокладок разделяются плоскими листовыми электродами, касающимися прокладок и турбулентных сеток. Недостатком данной конструкции является затруднение изоляции контакта электродов со внешней электрической цепью, что может привести к смачиванию электродов рабочими растворами за пределами рабочей области электродиализатора, утечкам тока и коррозии контактов электродов.
Конструкция закрытых прижимных плит, прокладок, стяжек и креплений представлена в полезной модели № RU 149984 U1, МПК B01D 61/00, опубл. 27.01.2015 Бюл. № 3. Стяжные или прижимные плиты электродиализатора представляют собой прямоугольные параллелепипеды из непроводящего электрический ток материала с выемками для протока электродного раствора и плоских листовых электродов. Прижимные плиты стягиваются рамами со стяжками. Недостатком данной конструкции служит невозможность замены электродов без разбора всего электродиализатора. Также невозможно корректировать форму электродов в зависимости от материала исполнения и нужд процесса электродиализа.
Идея быстрой замены мембран путем вынимания плоской рамки с мембраной реализована в патенте на изобретение № RU 2008081 C1, МПК B01D 61/42, опубл. 28.02.1994. Однако в случае использования электродов из корродирующих материалов, таких как графит и нержавеющая сталь, замена электродов может происходить чаще замены мембран. Использование плоской рамки для электродов нецелесообразно, если невозможно обеспечить надежный электрический контакт электрода и внешней электрической цепи.
Решением проблемы быстрой сборки и замены электродов является электродиализатор [Полезная модель № RU 165414 U1, МПК B01D 61/44, B01D 61/50, опубл. 20.10.2016 Бюл. № 29] со стрежневыми электродами и промежуточной электродной камерой. Недостатком данного решения является конструкция электродов и электродных камер. Подключение электродов к электрической цепи осуществляется непосредственным клеммным контактом к металлическому стержню (см. фиг. 1).
В случаях, когда электродные камеры заполнены, например, раствором гидроксида натрия NaOH или другим щелочным раствором, возможно использование стержней из нержавеющей стали, например, с повышенным содержанием никеля. Однако в случае нейтральных или кислых растворов необходимо заменить материал на инертный по причине угрозы электрокоррозии электрода. Изготовление стержневого электрода из платины или платинированного титана экономически нецелесообразно.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом является упрощение конструкции электродной камеры электродиализатора, а также упрощение ее эксплуатации и обслуживания.
Полезная модель упрощает сборку электродиализатора и улучшает его эксплуатационные характеристики за счет возможности быстрой установки и смены стержневых электродов из разных материалов, включая графит. Цанговое крепление электродов в электродной камере выполнено таким образом, чтобы установить надежный электрический контакт и изолировать полученный контакт от проводящего и корродирующего раствора в электродной камере. Цанговое крепление позволяет использовать хрупкие материалы, такие как графит, для изготовления стержневых электродов. В качестве механической поддержки электродов внутри электродной камеры расположена пластинчатая решетка, не мешающая протоку омывающего раствора. Установка стержневых электродов позволяет использовать прижимные плиты как торцевые с просветом электродных камер на одну сторону плиты и глухой стенкой с другой, так и промежуточные со сквозным просветом электродных камер в обе стороны. Электрод устанавливается в плиту без отделения пакета мембран. При этом не требуется делать дополнительных креплений внутри камер, доступных только при разборке всего электродиализатора.
Указанный технический результат достигается тем, что электродная камера электродиализатора состоит из непроводящего материала со вставленными в нее цилиндрическими держателями из непроводящего материала, внутри которых закреплены стержневые электроды, причем крепление и электрическое подключение электродов осуществляется через цанговое соединение.
Электродная камера может содержать пластинчатую решетку, пластины которой расположены перпендикулярно электродам и параллельно протоку омывающего раствора.
Электроды могут быть выполнены в виде цилиндрического стержня из проводящего материала, такого как металл или графит.
Электроды могут быть выполнены трубными или пластинчатыми из инертных металлических материалов, таких как платинированный титан или платина.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана конструкция крепления и контакта металлических стержневых электродов.
На фиг. 2 показана конструкция цангового крепления и контакта стержневых электродов.
На фиг. 3 показаны виды профилей стержневых электродов.
На фиг. 4 показана конструкция электродной камеры электродиализатора.
На фигурах приняты следующие обозначения: 1 – клемма; 2 – держатель; 3 – электрод, 4 – цанговый зажим, 5 – цилиндрический профиль электрода; 6 – трубный профиль электрода; 7 – пластинчатый профиль электрода, 8 – электродная камера, 9 – пластинчатая решетка.
Осуществление полезной модели
Электродная камера 8 электродиализатора состоит из непроводящего материала со вставленными в нее цилиндрическими держателями 2 из непроводящего материала, внутри которых закреплены стержневые электроды 3, причем крепление и электрическое подключение электродов 3 осуществляется через цанговое соединение – цанговый зажим 4.
Отличие предлагаемого решения заключается в изменении конструкции подключения электрода 3 на цанговое, как показано на фиг. 2. При таком подключении не требуется изготовления стержневого электрода сложной формы, и возможно применение электродов из хрупких токопроводящих материалов, таких как графит.
При установке стержневого графитового электрода 3 в электродной камере 8 (см. фиг. 4) предлагается расположить поддерживающую непроводящую решетку 9, пластины которой идут перпендикулярно ходу электрода 3 и параллельно протоку омывающего раствора. В пластинах решетки 9 выполняются отверстия, пропускающие электрод и плотно облегающие его для поддержки. Таким образом длина электрода не ограничена его механическими прочностными свойствами, что дает свободу конструирования электродных камер. В отличие от предлагаемого ранее решения [Полезная модель № RU 165414 U1, МПК B01D 61/44, B01D 61/50, опубл. 20.10.2016 Бюл. № 29] в электродных камерах может расположиться любое количество электродов как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, а также можно использовать электродные камеры цилиндрической формы [Патент № RU 2411986 C2, МПК B01D 61/46, опубл. 20.02.2011 Бюл. № 5]. Это дает преимущество в обеспечении равномерного распределения поверхностных плотностей тока на прилегающей к электродной камере мембране, а также гидродинамического распределения протока омывающего раствора. Пример установки электродов в камеру с решеткой представлен на фиг. 4.
Цанговое подключение позволяет обеспечить контакт с электродом любой формы, например, трубной формы или вытянутой плоской пластины. На фиг. 3 представлены возможные профили электродов.
Первый представленный профиль, цилиндрический 5, применим для электродов изготовленных из хрупких материалов, например, графита. Второй и третий, трубный 6 и пластинчатый 7, могут быть изготовлены из листа дорогих инертных металлических материалов, таких как платинированный титан или платина. При этом не возникает необходимости проводить сварку контакта или обеспечивать дополнительную изоляцию контакта. Подключение выполняется в защитном кожухе из непроводящего материала, например, в пластиковом цилиндрическом держателе. Электродный раствор не омывает электрический контакт. Держатель с электродом может быть установлен в электродную камеру в стандартное отверстие с резьбой или вставлен в отверстие с уплотнителем.
Пример 1:
2
Электрод, изготовленный из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т конструкции как на фиг. 1, помещался в 4% раствор (по массе) NaOH и использовался в качестве анода в течение 6 часов непрерывной работы при средней плотности тока 800 мА/см. После завершения испытаний на электроде не было видимых невооруженным глазом следов коррозии, а также не было изменения цвета рабочего раствора в следствие образования оксидов железа.
При испытаниях того же электрода в лабораторном электродиализаторе в щелочных растворах с примесями NaCl и других солей в качестве анода при тех же плотностях тока после испытаний были видны следы коррозии на поверхности электрода и окрашивание рабочих растворов. Следы коррозии служили индикатором нарушения технологического процесса электродиализа. Возможность быстрого извлечения электродов без разбора электродиализатора продляла сроки эффективной службы и упрощала диагностику неполадок.
Пример 2:
2
4
2
Цилиндрический электрод, изготовленный из графита, помещенный в держатель с цанговым соединением, как на фиг. 2, помещался в 4% раствор (по массе) HSO и использовался в качестве анода в течение 6 часов непрерывной работы при средней плотности тока 800 мА/см. После завершения испытаний электрод не подвергся видимым разрушениям.
2
2
4
В дальнейшем электрод испытывался на лабораторной электродиализной установке в рабочем режиме при средних плотностях тока до 200 мА/см в нескольких десятках циклов по 4-6 часов в различных растворах, включая кислые (HSO). После испытаний электрод извлекался. Видимых разрушений не наблюдалось.
Данная конструкция при выгодной себестоимости и простоте эксплуатации показала свою перспективность в ресурсных испытаниях.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели показал, что совокупность существенных признаков заявленного устройства не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного устройства в электродных камерах электродиализаторов, может быть использовано в пищевой, химической, фармацевтической промышленности, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».