УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

Полезная модель относится к устройствам для электрохимической обработки растворов с целью их очистки, регулировки окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и биологической активности, в т.ч. для получения дезинфицирующих растворов.
Известна полезная модель для электрохимической обработки водных растворов, включающее корпус, два электрода - анод и катод, подсоединенные к источнику постоянного тока, диафрагму, разделяющую корпус на катодную и анодную камеры /Электрохимический модульный реактор-элемент ПЭМ-3 - Патент на изобретение РФ №2078737, МПК C02F 1/461, 10.09.1997). ПЭМ-3 представляет собой элементарную электрохимическую ячейку с коаксильно (трубка в трубке) установленными электродами и керамической диафрагмой. Площадь анода составляет -0,005 м, площадь катода - 0,008 м.
Технологический процесс получения нейтрального анолита АНК в элементе ПЭМ-3 включает в себя: катодную обработку всего объема исходного раствора хлорида натрия, отделение части католита и пузырьков водорода с прилипшими частицами гидрооксидантов тяжелых металлов, поступление католита, освобожденного от ионов тяжелых металлов и насыщенного водородом на анодную обработку в этом же реакторе.
Реализованные в реакторе ПЭМ-3 технологические процессы позволяют получать высокоэффективные антимикробные растворы с функциональными показателями: нейтральный анолит АНК (с рН 7-8 ед., ОВП до +1000 мВ и концентрацией оксидантов до 500 мг/л), кислый анолит АК (с рН 2-4 ед., ОВП до +1500 мВ и концентрацией оксидантов до 500 мг/л) и щелочной католит (с рН 10-11 ед., ОВП до -900 мВ.)
Недостатками конструкции ПЭМ-3 и технологического процесса получения анолита АНК в реакторе ПЭМ-3, помимо высокой стоимости самого реактора (он изготавливается из дорогостоящих материалов - титан, платина, иридий), являются разные площади электродов и ускоренный износ анодного покрытия, работающего в щелочном католите, что сопровождается снижением степени активации воды.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для электрохимической обработки водных растворов, включающее корпус, два электрода - анод и катод, подсоединенные к источнику постоянного тока, диафрагму, разделяющую корпус на катодную и анодную камеры (авт.свид. СССР №1679746). Это устройство состоит из корпуса с размещенными в нем плоскими электродами (из титана или графита) и вертикальной диафрагмой, разделяющей корпус на две камеры, каждая из которых состоит, в свою очередь, из активного (у электрода) и пассивного (за электродом) объемов электролитов. Электроды установлены параллельно диафрагме с зазором 2-3 миллиметра. Этот реактор предназначен для получения нейтрального (АН) и кислого (АК) анолита с показателями рН=8,5 (АН) и 3,5 (АК).
Недостатком реактора с плоскими электродами и диафрагмой является возможное возникновение эффекта «пятнистости» электропроводности при обработке воды с минерализацией менее 10 г/л. Этот эффект связан с образованием в меж электродном пространстве застойных зон с замедленным протоком воды, в которых накапливаются продукты электрохимических реакций, имеющие, как правило, более высокую электропроводность, что приводит к неравномерному распределению тока по поверхности электродов, местным перегревам жидкости и, естественно, к снижению эффекта электрического воздействия на воду и биологической активности жидкости.
Известное вышеописанное устройство (авт.свид. СССР №1679746) по совокупности функциональных признаков наиболее близко к предлагаемой полезной модели и принято как прототип для сравнения технических, технологических и функциональных показателей (рН, ОВП, концентрация оксидантов по активному хлору получаемого анолита; биоцидности).
Задачей предполагаемой полезной модели является повышения качества электрохимической обработки водных растворов за счет увеличения биологической активности слабоминерализованной (1-5 г/л) воды - анолита и католита, синтезируемых в проточном реакторе-электролизере с плоскопараллельными электродами и диафрагмой между ними.
Поставленная задача решается в устройстве для электрохимической обработки жидкости, включающем корпус, два электрода- анод и катод, подсоединенные к источнику постоянного тока, диафрагму, разделяющую корпус на катодную и анодную камеры, тем, что дополнительно содержит редуктор, выполненный в виде цилиндра с двумя штуцерами, один из которых соединен с каналом для ввода жидкости в анодную камеру, а электроды и расположенная между ними диафрагма равноудалены друг от друга и межэлектродное расстояние по всей длине постоянно, причем электроды представляют собой эквипотенциальные поверхности.
Поставленная задача также решается в устройстве для электрохимической обработки водных растворов (УДЕЖ), тем, что каналы для подвода и удаления жидкости снабжены трубками, которые связывают их с электродными камерами.
Предлагаемое устройство (рис.1) содержит корпус 1, состоящий из двух равных по размерам боковых поверхностей из диэлектрического материала, соединенных между собой болтами. Внутри размещаются: плоские электроды из прочного графита - анод 2 и катод 3; провода к источнику постоянного тока - 4; плоская тканевая диафрагма 5, разделяющая корпус на две равные по размеру камеры -катодную 6 и анодную 7. Каналы для подвода 9 и 10 и удаления 11 и 12 жидкости в электродные камеры и редуктор 8 для удаления электролизных газов проходят внутри нижних и верхних концов боковых поверхностей корпуса. По длине у каждого канала оборудованы плоские отверстия и камеры, ориентированные в сторону диафрагмы. Диафрагма армирована по периметру панелью, а по бокам вертикальными вставками из диэлектрического материала. Графитовые электроды крепятся без зазора к внутренним поверхностям боковых стенок корпуса. Полупроницаемая диафрагма плоско-параллельно размещена между электродами на удалении 2-3 миллиметра от них, по периметру зажата диэлектрической прокладкой. Токосъемниками являются болты, крепящие электроды к корпусу. Внешний вид устройства - прямоугольный квадрат.
Гидросистема специальной муфтой сочленяется с краном водопровода, включает эжекционный насос для основного раствора (10-20% NaCl), полиамидные шланги, штуцера на входных и выходных каналах, краны «вода», «раствор», «анолит», и «католит».
В качестве источника постоянного тока (на рис.1 не представлен) - может использоваться типовой выпрямитель переменного сетевого тока, оборудованный амперметром (шкала до 15 Ампер) и вольтметром (шкала до 32 Вольт).
Предлагаемое устройство обеспечивает получение воды (раствора) с высокой биологической активностью за счет электрического поля равномерной напряженности по всей поверхности обоих электродов, равных по площади и равноудаленных друг от друга, а ламинарное вертикальное продвижение жидкости снизу вверх увеличивает количество активируемых микрочастиц; фиксированные (оптимизированные) показатели силы тока на электродах, объема и скорости протекания жидкости также положительно влияют на повышение биологической активности жидкости.
Устройство работает следующим образом:
Исходная обрабатываемая вода с помощью эжекторного насоса под давлением 1,5-2 атмосферы поступает в катодную камеру; протекая снизу вверх, раствор соприкасается с поверхностью катодного электрода, подвергается воздействию электрического поля, в результате чего превращается в католит; католит поступает в редуктор, где отбирается часть католита и электролизные газы; затем основная масса католита поступает в анодную камеру, где, также протекая снизу вверх, соприкасается с поверхностью анодного электрода, подвергается воздействию электрического поля, в результате чего превращается в анолит.
Эффективность электрической активации 0,3% водного раствора NaCl в новом устройстве (УДЭЖ) сравнивали по общепринятым методикам с эффективностью электрической активации 0,3% водного раствора NaCl устройством по авт.свид. СССР №1679746. Результаты стендовых опытов приведены в таблице.
Активатор жидкости (0,03% NaCl)
Потенциал на электродах
Производительность по анолиту
Физико-химические показатели
Бактерицидность по отношению к
Сила тока, А
Напряжение, В
рН, ед.
ОВП, мВ
С<sub>ах</sub>, мг/л
Е. coli
St. aureus
Опытное устройство УДЭЖ
5
16
20
7,0
+1000
300
роста нет
роста нет
Прототип авт.свид. СССР №1679746
5
16
20
8,0
+900
250
роста нет
рост есть
Примечание: рН измеряли потенциометром, С<sub>ах</sub> (концентрацию активного хлора) - йодометрическим методом, ОВП (окислительно-восстановительный потенциал) - мВ (Н.В.Э), бактерицидность - в суспензионном тесте.
Из приведенных в таблице данных видно, что, при равном потенциале на электродах и равной производительности по анолиту, опытное устройство по физико-химическим показателям и биоцидности получаемой жидкости не уступает прототипу, т.к. обеспечивает электрохимическое превращение слабоминерализованной жидкости в биологически активный препарат.
Производственные испытания устройства УДЭЖ показали высокую эффективность, безопасность и надежность в работе. При производительности 50 л в час анолита и 10 л в час католита (суммарная производительность - 60 л в час), получаемые растворы имеют стабильные физико-химические показатели, отвечающие ветеринарным требованиям.
Геометрические пропорции электродных камер (высота, ширина, расстояния между электродами и диафрагмой) опытного устройства УДЭЖ, при оптимальных показателях объема и скорости протока жидкости через электродные камеры предотвращают образование «застойных зон» и повышение температуры жидкости (характерные для пластинчатого реактора - прототипа).
Преимущества устройства УДЭЖ перед прототипом:
- УДЭЖ позволяет получать три вида активированных растворов
- кислый анолит (АК), нейтральный анолит (АН и АНК) и католит;
- позволяет менять полярность электродов;
- низкие затраты на изготовление электродного блока (не используются дорогостоящие материалы - титан, цирконий, иридий, платина).
Таким образом, изменения внесенные в конструкцию предполагаемого изобретения - устройства УДЭЖ, а именно:
- геометрические пропорции электродных камер,
- специальные каналы с плоскими камерами и капиллярами в диэлектрическом корпусе электродного блока для подвода и удаления жидкости,
- редуктор для удаления части католита и электролизных газов,
- диэлектрическая панель по периметру диафрагмы и боковые вставки, свидетельствуют о новизне изобретения, а полученный в результате эффект: обеспечения ламинарного потока жидкости, создание электрического поля для обработки каждого микрообъема жидкости, электрохимическая активация жидкости, электробезопасность устройства свидетельствуют о полезности предлагаемого устройства.
Эффективность и безопасность работы предлагаемого устройства УДЭЖ подтверждена комиссионно.