ИНДУКЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области прикладной электрохимии, а именно к аппаратурному обеспечению электрохимических технологий для очистки густых суспензий от примесей тяжелых металлов и может быть использована для очистки илов очистных сооружений, буровых и тампонажных растворов, пульп и других суспензий.
Известно устройство для электрообработки растворов, состоящее из бесконечной ленты, натянутой на ведущий и ведомый барабаны, поверхность которой покрыта электропроводящим материалом и подключена к источнику постоянного напряжения [Ротинян А.Л. Прикладная электрохимия. Л.: Химия, 1974, с. 392]. Бесконечная лента погружена в обрабатываемую жидкость и выполняет роль катода или анода, оказывает электрическое воздействие на раствор.
Известно устройство для приготовления бурового раствора [А.С. SU №919280 А «Устройство для приготовления бурового раствора» В.М.Бахир, Ю.П.Тихонов, С.А.Алехин, П.В.Гончаров, опубл. 10.10.79. от 23.01.80. Бюл. №5]. Устройство содержит, размещенные в емкостях электроды в виде вращающихся барабанов, на одном из которых натянута при помощи ролика бесконечная лента с электропроводным покрытием, нож для съема осадка, проницаемую перегородку, установленную между электродами и источник постоянного тока. Проницаемая перегородка выполнена в виде бесконечной ленты, натянутой на другой барабан при помощи ролика и вращающейся со скоростью образования адгезионного слоя. Электрод, несущий на себе проницаемую перегородку, выполнен с кольцевым выступом по длине. Общая емкость снабжена патрубками и разделена на две части перегородкой. Для съема продуктов реакций с диафрагмы используется нож. Во внутренней полости барабанов установлены винтовые спирали. Работает устройство следующим образом: Жидкость заливается через патрубок в катодную и анодную емкости. В катодной емкости уровень жидкости поддерживается постоянным, при этом количество поступающей через патрубок жидкости равно количеству жидкости сливаемой через патрубок. Прежде чем достигнуть сливного патрубка, жидкость проходит обработку в зоне электродов. Патрубки располагаются в противоположных концах емкости. Поступающая через патрубок жидкость захватывается лентой с катодом и подается в межэлектродное пространство в виде адгезионного слоя, толщина которого зависит от скорости вращения барабанов и их диаметра. Зазор между барабанами устанавливается таким, чтобы при номинальном режиме адгезионные слои всегда касались. При касании адгезионных слоев электрическая цепь замыкается. В зоне отрицательного электрода происходит электрохимическое превращение солей, находящихся в воде в виде соединений MeR (например, NaCl: R - отрицательный ион Cl, Na - Me) в соединения типа МеОН - гидроокиси. Отрицательные ионы под действием градиента потенциала у поверхности электрода и градиента концентрации ионов ОН, отходящих от этой же поверхности переходят в зону электрода, где образуют кислоты, вступая во взаимодействие с ионами водорода, выделяющимися у поверхности этого электрода. Жидкость, обогащенная гидроксильными группами, идет на приготовление бурового раствора, а кислые продукты реакций, снимаемые ножом, используются для регулирования параметров бурового раствора при очистке его. Зазор между поверхностью электрода и проницаемой перегородкой заполнен адгезионным слоем и слоем жидкости, образующимся на внутренней поверхности перегородки за счет центробежных сил. В результате этого создается перепад давлений в слоях жидкости на внутренней и наружной поверхностях перегородки, что препятствует проникновению кислых продуктов реакций в зону отрицательного электрода. Этому также препятствуют большие окружные скорости движения слоев жидкости на поверхностях лент. Адгезионный слой, образующийся на перегородке, значительно увеличивает производительность устройства. Благодаря размещению бесконечных лент по длине емкостей и на электроде, жидкость постепенно перемешивается и имеет однородный состав, что создает благоприятные условия для обработки в зоне электродов и повышает качество обработки. Электрод, на котором размещена диафрагма, выполнен с кольцевым винтовым выступом, который интенсифицирует обработку в зоне основного электрода за счет придания адгезионному слою осевого движения. Вследствие того, что жидкость постоянно перемешивается в емкости и проходит зону обработки с равномерной скоростью стабильность обработки резко повышается. Этому же способствует равномерная проницаемость диафрагмы, которая не засоряется твердыми частицами. Стабильность обработки способствует повышению качества обработанной жидкости и снижению энергозатрат.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является известная индукционная электрохимическая установка, выбранная за прототип, в которой использованы жидкостные электроды [RU, патент на полезную модель №81189, опубл. 10.03.2009 г.]. Установка содержит трансформатор для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока), первичная обмотка которого подключена к сети переменного тока, а вторичные обмотки выполнены из диэлектрических трубок, намотанных попарно бифилярно, заполненных электролитом и соединенных соответственно с входными и выходными патрубками смесителя, который соединен с патрубками устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока), выполненного на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, а также электрохимическую ячейку. Электрохимическая ячейка разделена ионообменными мембранами на электродные камеры: анодную и катодную для прокачки электролита с входными и выходными патрубками и рабочие камеры: для получения католита с выходным патрубком, для получения анолита с выходным патрубком, центральную камеру для получения деионизованного раствора с входным и выходным патрубками. Электродная катодная камера электрохимической ячейки, соединенная через насос с соответствующими вторичными обмотками трансформатора образует катодный гидравлический контур. Анодный гидравлический контур образован соединением устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) через насос с электродной анодной камерой электрохимической ячейки. В частном случае электролит, заполняющий гидравлические контуры представляет собой насыщенный раствор NaCl.
Прототип имеет следующие недостатки: сложность конструкции, наличие вращающихся частей, изготовление системы электродов электрохимической ячейки из твердого диэлектрического материала, приводящее к громоздкости конструкции и ее большому весу; при ремонте предусматривается много слесарных и токарных работ, что продляет его длительность; сильный разогрев токоподводов, низкая стойкость электродов, частая их замена, что приводит к остановке процесса для замены электродов; высокая стоимость электрохимического устройства.
Задачей полезной модели является создание компактной многофункциональной электрохимической установки позволяющей повысить технологичность ее использования, за счет снижения общего количества деталей и вариации комплектации устройства в зависимости от необходимой производительности.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в следующем:
1) создается устройство для очистки густых суспензий, илов, буровых и тампонажных растворов, прочих суспензий, которые трудно или невозможно очистить при использовании других устройств;
2) в уменьшении габаритов, веса электрохимического аппарата, а также в упрощении операции замены вышедших из строя конструкционных элементов электрохимического устройства, путем изготовления камер из гибкого материала, который позволяет компактно свернуть элементы электрохимической ячейки по форме корпуса в виде трубы;
3) заявляемое устройство может служить для селективного выделения отдельных компонентов исходной смеси, в зависимости от частоты питающего тока.
Указанный технический результат достигается следующим образом: Заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит, по меньшей мере, одну электрохимическую ячейку, имеющую разделенные ионообменными мембранами электродные камеры: катодную и анодную для прокачки электролита с входными и выходными патрубками и рабочие камеры: для получения католита с входным и выходным патрубками, для получения анолита с входным и выходным патрубками и центральную камеру для получения очищенной суспензии, электродные камеры заключены в диэлектрический корпус, ионообменные мембраны, разделяющие электродные и рабочие камеры выполнены биполярными, а так же устройство для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока), выполненное в виде трансформатора, первичная обмотка которого подключена к сети переменного тока, а вторичные обмотки выполнены из диэлектрических трубок, намотанных попарно бифилярно и соединенных соответственно с входными и выходными патрубками смесителя-накопителя, соединенного с устройством для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока). Электродная катодная камера электрохимической ячейки, соединенная с соответствующими вторичными обмотками трансформатора образует катодный гидравлический контур, а электродная анодная камера, соединенная с устройством для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) образует анодный гидравлический контур. В отличие от прототипа внешние стенки электродных камер выполнены из гибкого иононепроницаемого материала, в камерах для образования зазора между ионообменными мембранами вставлены гибкие прокладки, камеры по периметру ионообменных мембран герметично соединены в гибкие пакеты. Целесообразно выполнять гибкие прокладки в камерах в виде рамок, герметично соединенных по периметру с ионоселективными мембранами. Использование гибких конструкционных материалов в сочетании с жидкостными электродами позволяет создать компактную электрохимическую установку, что существенно снижает себестоимость устройства.
На фиг.1 изображена функциональная схема индукционной электрохимической установки.
Установка содержит трансформатор 1 для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока), первичная обмотка 2 которого подключена к сети переменного тока, а вторичные обмотки 3 выполнены из диэлектрических трубок, намотанных попарно бифилярно, заполненных электролитом и соединенных соответственно с входными 4, 5 и выходными 6, 7 патрубками смесителя 8, который соединен с устройством для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, выполненного на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, а также электрохимическую ячейку 10. Электрохимическая ячейка 10 разделена ионообменными мембранами на электродные камеры: катодную с входным 24 и выходным 23 патрубками и анодную с входным 18 и выходным 21 патрубками для прокачки электролита (насыщенный раствор NaCl), а также рабочие камеры: для выделения катионов с входным 19 и выходным 20 патрубками, для выделения анионов 18 с входным 30 и выходным патрубком 29, центральную камеру 25 для получения очищенной суспензии с входным 26 и выходным 27 отверстиями. Внешние стенки электродных камер выполнены из гибкого иононепроницаемого материала (например, полиэтилена). Все остальные стенки рабочих и электродных камер выполнены из мембран - катионитовых для катодных камер и анионитовых для анодных камер. Все камеры выполнены в виде гибких пакетов, и герметично соединены по периметру сваркой, пайкой или склеены. Электродная катодная камера электрохимической системы, соединенная через насос 17 с соответствующими вторичными обмотками 3-1 (w 22), 3-2 (w 21) и трансформатора 1 образует катодный гидравлический контур. Анодный гидравлический контур образован соединением устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9 через насос 26 с электродной анодной камерой электрохимической системы.
Устройство работает следующим образом: При подаче питания между первичной 2 и вторичной обмоткой 3 трансформатора 1 возникает электрическое поле. В катодном электродном контуре электролит (насыщенный раствор NaCl) из смесителя-накопителя 8 через штуцер 6 по вторичной обмотке 3-1 (w 22) через патрубок 24 через электродную катодную камеру и входной патрубок 23 через бифилярно намотанную вторичную обмотку трансформатора 3-2 (w 21) прокачивается насосом 17 через штуцер 6 и возвращается в смеситель 8 для восстановления. При этом в электродной катодной камере сосредотачиваются положительные заряженные ионы. В электродном анодном контуре раствор NaCl, прокачивается из смесителя 8 через штуцер 7 и устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, через входной патрубок 18 и выходной патрубок 21 в электродную анодную камеру насосом 26, далее через устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9 и через штуцер 5 возвращается в смеситель 8 для восстановления. При этом в электродной анодной камере сосредотачиваются отрицательно заряженные ионы. Таким образом, между электродной катодной камерой и электродной анодной камерой возникает электрическое поле, под воздействием которого в камере для получения католита концентрируются катионы примесей, центральной рабочей камере 25, заполненной очищаемой суспензией, происходит удаление примесей, в камере для получения анолита концентрируются анионы примесей.
Полезная модель поясняется примером конкретного выполнения. По данным атомно-абсорбционного анализа суспензия до и после обработки имела состав, приведенный в таблице.
Пример технического исполнения:
1. Подготовка и работа электродной системы: В микшер-смеситель 8 заливали насыщенный раствор НCl по метку расположенную на корпусе, после чего включали насосы 31, 32. Электролит (насыщенный раствор NaCl) прокачивали из микшера-смесителя 8 через штуцер 6 вторичную обмотку 3-2 (w 22) через входной штуцер 24 электродной катодной камеры 23 с помощью насоса 17 по вторичной обмотке 3-1 (w 21) через штуцер 4 и возвращали в микшер смеситель 8 на восстановление, а электролит из микшера-смесителя 8 прокачивали через штуцер 7, устройство для индуцирования постоянной составляющей 9, выполненное на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, через входной штуцер 18, электродную анодную камеру 21 насосом 26 и через устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, выполненное на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, через штуцер 5 в микшер-смеситель 8 для восстановления.
2. Подготовка и работа андного и катодного рабочих контуров: в буферные емкости анодной 14 и катодной 13 камер заливали принимающий раствор 5% НСl. После чего включали насосы 34, 35.
Для получения очищенной суспензии в центральную рабочую камеру (основной объем аппарата) 25, заполненную исходной суспензией, через входное отверстие 26 и с помощью шнека 27 подается суспензия, предназначенная для обработки, содержащая компоненты, указанные в таблице 1 и выводится через выходное коническое отверстие 29 трубы-корпуса 28. При этом в камере для получения католита 22 и в камере для получения анолита 20 происходит концентрирование катионов и анионов примесей из обрабатываемой суспензии, под действием электрического поля созданного в электродной катодной камере 24 и электродной анодной камере 21. После обработки суспензия, пройдя через объем центральной рабочей камеры 25 со скоростью, необходимой до доведения содержания примесей до уровня ПДК, которая зависит от исходной концентрации примесных элементов, выводится через коническое отверстие 29 с торца трубы-корпуса 28.
Для очистки раствора от катионов, промывной раствор подавался насосом 11 из буферной емкости 13 через входной патрубок 30 в камеру для выделения катионов примесей 22, выводился через патрубок 29 и возвращался в буферную емкость 13, таким образом, раствор непрерывно циркулировал по промывному контуру.
Для очистки от анионов промывной раствор насосом 12 подавался из буферной емкости 14 в камеру для выделения анионов 19 через входной патрубок 32 и выводился через патрубок 31. При подаче питания электродная катодная камера 23 и электродная анодная камера 19 создавали поле, под действием которого анионы раствора переходили через мембраны центральной рабочей камеры 25 в камеру для выделения анионов примесей 19. Таким образом, раствор непрерывно циркулировал по промывному контуру.
При подаче питания электродная катодная камера 23 и электродная анодная камера 18 создавали поле, под действием которого катионы очищаемого раствора переходили через катионообменную и анионообменную мембраны центральной рабочей камеры 25, заполненной очищаемой суспензией в катодную 22 и анодную 20 промывные камеры.
2
Питание электрохимической ячейки осуществляли переменным асимметричным током. Процесс проводили при плотности тока 0,1 А/дм, в течении всего процесса обессоливания. В промывных контурах камер наблюдалось концентрирование примесей обрабатываемой суспензии, а в центральной рабочей камере суспензия освобождалась от них. Состав примесей приведен в таблице.
По данным атомно-абсорбционного анализа содержание примесей в очищаемой суспензии соответствовало требованиям предельно допустимых концентраций.
Индукционная электрохимическая установкаТаблица 1
Элементный состав мг/л
Исходная суспензия, г/л
Очищенная суспензия, г/л
Zn
2,5<sup>.</sup>10<sup>-3</sup>
1,1<sup>.</sup>10<sup>-4</sup>
Fe
5,4<sup>.</sup>10<sup>-4</sup>
1,9<sup>.</sup>10<sup>-5</sup>
Cu
3,4<sup>.</sup>10<sup>-4</sup>
2,6<sup>.</sup>10<sup>-5</sup>
Hg
0,1
1,5<sup>.</sup>10<sup>-4</sup>
Mg
0,05
1,8<sup>.</sup>10<sup>-4</sup>
Cd
9,01
1,6<sup>.</sup>10<sup>-4</sup>
Cl<sup>-</sup>
5,0<sup>.</sup>10<sup>-2</sup>
1,6<sup>.</sup>10<sup>-5</sup>
SO<sup>2-</sup> <sub>4</sub>
2,8 10<sup>-2</sup>
1,7 10<sup>-4</sup>
CO<sup>-</sup> <sub>3</sub>
3,7 10<sup>-2</sup>
1,4 10<sup>-5</sup>