ДИАФРАГМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
DIAPHRAGM ELECTROLYSER FOR PURIFYING AND DISINFECTING WATER

Изобретение относится к установкам для электрохимической очистки воды и/или водных растворов и может быть использовано в различных областях деятельности человека для очистки и регулирования свойств воды и водных растворов.
Известны установки различных конструкций для обработки и очистки воды при однократном или многократном прохождении воды через проточный электролизер (RU 2096337, опубл. 20.11.97 [1]; RU 2038322, опубл. 27.06.95 [2]; RU 2076847, опубл. 10.04.97 [3]; RU 2084408, опубл. 20.07.97 [4]; RU 2091320, опубл. 27.09.97 [5]; US 5427667, опубл. 27.06.95 [6]; ЕР 0286233, опубл. 12.10.88 [7]).
Недостатками известных устройств являются использование двухкамерных проточных электролизеров и, как следствие, сравнительно невысокая степень очистки от ионов тяжелых металлов и продуктов анодного окисления, а также усложнение конструкции из-за необходимости применения дополнительных устройств для вывода из получаемой воды активного хлора и удаления образовавшихся гидроксидов. В проточных двухкамерных диафрагменных электролизерах подвергающийся обработке водный раствор обеспечивает два потока: один - к аноду, другой - к катоду. Разделяющая микропористая диафрагма препятствует конвекционному (и диффузному) обмену электронейтральных молекул. Вместе с тем она прозрачна для заряженных ионов, мигрирующих в электрическом поле электролизера. Под действием напряжения, приложенного к катоду и аноду, ионы мигрируют к соответствующим электродам. Диафрагма препятствует смешению околоэлектродных растворов, приводя к тому, что в разделенных электродных пространствах происходит динамическое накопление ионов разных знаков. Необходимое условие работы любого проточного диафрагменного электролизера - это заполненность его электродных камер растворами электролита. В этом случае подачу водных растворов в двухкамерный проточный электролизер для их обработки можно осуществлять по параллельной или последовательной схеме. При параллельной схеме обработки, когда вода подается сразу на вход анодной и катодной камер, на выходе получаются два продукта: анолит и католит, что имеет применение для специальных нужд. Последовательная схема обработки, когда вода последовательно протекает через одну, затем через другую электродные камеры, применяется для очистки и обеззараживания питьевой воды.
+
+
2+
2+
2+
Электрохимической обработке подвергается вода (питьевая или техническая), содержащая то или иное количество растворенных солей, и содержит ионы: Na, K, Ca, Mg, Fe, ,  и другие (Сан. Пин. 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода»). Содержание этих ионов колеблется в зависимости от источника воды, но общее их количество в питьевой воде достаточно для того, чтобы можно было проводить электрохимическую обработку с целью обеззараживания и очистки воды от органических загрязнителей, а также ионов тяжелых металлов путем катодного осаждения. В обрабатываемой воде при прохождении через электрическое поле межэлектродного пространства образуются сильнодействующие оксиданты, такие как  и  и другие, способствующие уничтожению (окислению, в том числе глубокому деструктивному окислению) многих молекул сложных органических веществ, в том числе циклического и гетероциклического строения с переводом их в более простые соединения.
При использовании двухкамерного проточного электролизера для очистки и обеззараживания питьевой воды, обрабатываемая вода всегда обрабатывается в анодной камере этого электролизера, соприкасается с анодом и накапливает в себе продукты анодного разложения. В дальнейшем, при последовательном прохождении водой катодной камеры, происходит образование гидроксидов, которые также остаются в общем потоке. После такой обработки вода является обеззараженной, но неочищенной, т.к. из-за непрерывности потока она содержит продукты анодной и катодной обработки. Такая вода к употреблению не готова, поэтому впоследствии необходимо вводить дополнительные устройства для ее очистки и фильтрации, что значительно усложняет оборудование.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является диафрагменный электролизер, известный из (RU 2038323, опубл. 27.06.1995) [8]. Электролизер содержит коаксиально установленные по отношению друг к другу внешний цилиндрический анод, внутренний стержневой катод и расположенную между электродами трубчатую микропористую керамическую диафрагму, разделяющую межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры. Каждая камера имеет отдельный вход в нижней части электролизера и отдельный выход в верхней части электролизера, сообщающиеся с подводящими и отводящими гидравлическими линиями для протока воды. Электроды и диафрагма жестко и герметично взаимно закреплены при помощи уплотнительных колец и торцевых втулок из диэлектрического материала. Данный электролизер используют в составе установки для очистки и обеззараживания воды, в которой обрабатываемая вода подается от напорного источника в анодную камеру электролизера. Во время протока через анодную камеру образуется активный хлор, уничтожающий все микроорганизмы и окисляющий органические примеси. После выхода из анодной камеры вода проходит через емкость с катализатором, на котором происходит разрушение активного хлора. Затем вода поступает в катодную камеру электролизера, в которой происходит восстановление органических примесей. В дальнейшем вода подается потребителю. Недостатком этого устройства является невысокая степень очистки от ионов тяжелых металлов, гидроксидов и продуктов анодного окисления. Так как проток является непрерывным, то с точки зрения материального баланса весь ионный состав воды должен сохраняться, конечно, за исключением части ионов, осевших на катоде. Таким образом, хлор, прошедший через каталитический реактор, потеряет свою активность, но сохранится в воде. Это значительно снижает ее органолептические свойства. Недостаток прототипа заключается и в том, что процесс обработки воды в подобных устройствах связан с необходимостью частых остановок из-за зарастания диафрагмы и поверхности катода солями жесткости, что требует проведения сравнительно частых кислотных промывок внутренних коммуникаций электрохимических ячеек. Удлинение времени работы таких устройств без кислотных промывок приводит к снижению эффективности их функционирования.
Задача настоящего изобретения заключается в упрощении конструкции устройства для очистки и обеззараживания воды, повышении степени очистки воды, повышении биологической ценности питьевой воды, получаемой в результате процесса очистки,
Для этого предложен диафрагменный электролизер для очистки и обеззараживания воды, который, как и известный электролизер, содержит вертикально установленные в диэлектрических втулках при помощи уплотнительных колец коаксиально расположенные по отношению друг к другу внешний цилиндрический электрод, внутренний цилиндрический электрод, один из которых является анодом, а другой - катодом, и микропористую диафрагму между ними, посредством которой межэлектродное пространство разделено на две электродные камеры - наружную и внутреннюю.
Заявленный электролизер отличается тем, что содержит вертикально установленную в диэлектрических втулках при помощи уплотнительных колец коаксиально расположенную между электродами дополнительную микропористую диафрагму, образующую между электродными камерами дополнительную среднюю междиафрагменную камеру, при этом в нижней торцевой втулке расположен вход для обрабатываемой воды, обеспечивающий подачу воды одновременно во все три камеры электролизера, а в верхней торцевой втулке расположен выход для чистой воды, соединенный с междиафрагменной камерой, а также выход воды, соединенный с электродными камерами.
В заявленном трехкамерном электролизере часть воды, поступающей из водопровода, поступает в его среднюю камеру, а другая часть воды поступает в анодную и катодную камеры. Под действием электрического тока во всех трех камерах одновременно начинается процесс электролиза. Образуется активный хлор и его соединения из солей, которые составляют естественную минерализацию любой питьевой воды. Образующиеся оксиданты обеззараживают, окисляют хлорорганику и оказывают бактерицидное действие на воду. Одновременно, под действием напряжения, приложенного к катоду и аноду, из средней камеры через диафрагмы ионы начнут мигрировать к соответствующим электродам. Таким образом, из воды, находящейся в средней камере, удаляются избыточные ионы металлов и хлор. Процесс регулируется величиной напряжения, подаваемого на электроды, и скоростью протока воды. В анодной камере происходит концентрация ионов хлора, в катодной камере - ионов тяжелых металлов. Вода из средней камеры является очищенной, обеззараженной, пригодна к потреблению без дополнительной обработки и обладает хорошими органолептическими свойствами, приятна на вкус при отсутствии запаха хлора. Таким образом, трехкамерный электролизера позволяет получать пригодную к потреблению воду без ее дополнительной обработки.
Для получения дополнительных свойств обрабатываемой воды заявленный электролизер может использоваться в составе установок для очистки и обеззараживания воды, а также придания ей особых свойств. Для этого в установке используется как минимум один дополнительный двухкамерный реактор. Гидравлическая схема организуется следующим образом. После выхода из средней камеры вода может проходить через катодную камеру дополнительного двухкамерного электролизера, а потоки из электродных камер направляются в анодную камеру двухкамерного электролизера. В катодной камере дополнительного двухкамерного электролизера происходит смещение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) до уровня, соответствующего внутренней среде организма человека. В результате повышается биологическая ценность воды, ее способность проникать сквозь биологические мембраны клеток и участвовать в процессах обмена.
Использование трехкамерного электролизера с независимой от расположения электродов средней камерой очистки воды, допускает применение реверсивного режима, с изменением полярности электродов через определенные периоды времени. В этом случае электродные камеры меняются местами. Это обеспечивает самоочищение диафрагм от засоряющих их частиц, повышает удаление отложенных солей. Т.е. можно не применять опасные кислотные методы очистки от солей жесткости, которые обязательны для всех других установок.
Новый технический результат, достигаемый заявленным трехкамерным электролизером, заключается в одновременном получении в качестве целевого продукта очищенной от анионов и катионов и обеззараженной воды, пригодной к потреблению без ее дополнительной обработки, и воды с накопленными в ней анионами и катионами.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображена конструкция заявленного диафрагменного трехкамерного электролизера; на фиг. 2 - то же, в разрезе, на фиг. 3 - то же в виде схемы; на фиг. 4 - схема применения заявленного трехкамерного электролизера в сочетании с двухкамерным электролизером.
Электролизер содержит коаксиально установленные по отношению друг к другу внешний цилиндрический электрод 1 (катод или анод), внутренний цилиндрический электрод 2 (анод или катод), между которыми коаксиально по отношению к электродам и друг другу установлены две трубчатые микропористые керамические диафрагмы 3 и 4. Электроды и диафрагмы образуют электродные камеры: наружную электродную камеру 5 и внутреннюю электродную камеру 6. Диафрагмы образуют, расположенную между ними среднюю - междиафрагменную камеру 7.
Конструктивно электроды и диафрагмы взаимно закреплены в торцевых втулках, выполненных из диэлектрического материала, верхней втулке 8 и нижней втулке 9 при помощи уплотнительных колец 10 и 11, а также гаек 12, накручиваемых на резьбовые концы внутреннего электрода. В нижней втулке 9 расположен вход 13 для обрабатываемой воды, который распределяет воду по камерам 5, 6 и 7 через отверстия 14, 15, 16. В верхней втулке 8 расположен выход чистой воды 17, соединенный через отверстие 18 с междиафрагменной камерой 7, а также выход воды 19, соединенный с камерами 5 и 6 через отверстия 20, 21.
Электроды электролизера могут быть изготовлены из титана, титана с покрытием, графита, нержавеющей стали и прочих в зависимости от условий эксплуатации, которые определяются назначением электролизера. Диафрагмы электролизера выполнены из керамики и являются ультрафильтрационными, что обеспечивает при равных давлениях в камерах отсутствие фильтрационного перетока при наличии ионного обмена.
Трехкамерный электролизер работает следующим образом. Обрабатываемая вода подается от напорного источника сразу во все три камеры электролизера. После подачи напряжения на электроды, во время протока воды через камеры, начинается процесс электролиза. В электродных камерах, в зависимости от потенциала электрода, происходит накопление ионов: в анодной камере - анионов (хлор, кислород и т.п.) в катодной камере - катионов (ионы щелочных, тяжелых металлов, и т.п.) Функциональность электродных камер определяется знаком потенциала напряжения подаваемого на электрод и может меняться в процессе эксплуатации. Соответственно, в средней камере, являющейся по сути биполярной, одновременно идут и катодный и анодный процессы. Образуется активный хлор, уничтожающий все микроорганизмы и окисляющий органические примеси. Одновременно для обеспечения электропроводности, должно происходить электро-миграционное перемещение ионов. При подаче на внутренний электрод отрицательного потенциала, а на наружный электрод - положительного, их соответственно можно определить как катод и анод. В этом случае катионы, в том числе и ионы тяжелых металлов, из средней камеры, мигрируют в катодную камеру 6 через диафрагму 3, а анионы, в том числе хлор, переходят в анодную камеру 5 через диафрагму 4. При этом, если полярность электродов будет меняться, процесс будет принципиально тот же: катионы - к катоду, анионы к - аноду. Основным остается то, что в процессе электролиза образуется активный хлор, который окисляет органику и оказывает бактерицидное действие. Одновременно из средней камеры происходит электромиграционный вывод ионов в электродные камеры через микропористые керамические диафрагмы, которые не допускают перемешивания потоков. Таким образом, поток воды, протекающий в междиафрагменной камере, обеззараживается и очищается от хлора и ионов тяжелых металлов. Потоки, протекающие в электродных камерах 5 и 6, накапливают: анодный - хлор, катодный - ионы тяжелых металлов. После выхода из электродных камер 5, 6 растворы используются для хозяйственных нужд или удаляются в дренаж. Вода из средней камеры, очищенная и обеззараженная, поступает потребителю.
Заявленный электролизер может использоваться также в составе установок для обработки воды, например в установке, где поток воды последовательно обрабатывается в трехкамерном электролизере и затем в двухкамерном электролизере.
В такой установке вода после обработки из анодной и катодной камер трехкамерного электролизера через смеситель поступает в анодную камеру двухкамерного электролизера, а вода из средней камеры трехкамерного электролизера - в катодную камеру дополнительного двухкамерного электролизера. В катодной камере дополнительного двухкамерного электролизера может происходить прямое электрохимическое восстановление оставшихся органических примесей, удаление анионов и оставшихся ионов тяжелых металлов. А главное, происходит смещение окислительно-восстановительного потенциала воды до уровня, соответствующего внутренней среде организма человека. В результате повышается биологическая ценность воды, ее способность проникать сквозь биологические мембраны клеток и участвовать в процессах обмена. Впоследствии продукты анодной обработки идут в дренаж или используются в качестве жидкости для хозяйственных нужд, а продукты катодной обработки поступают потребителю.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет упростить конструкцию устройства для очистки и обеззараживания воды, повысить степень очистки, а также биологическую ценность получаемой питьевой воды.