ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
ELECTROCHEMICAL CELL FOR TREATMENT OF ELECTROLYTE SOLUTIONS

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электролиза водных растворов электролитов, и может быть использовано в различных процессах электролизного получения различных химических продуктов.
Электрохимическая или электролизная обработка жидкой среды является широко распространенным технологическим способом. Его практическая реализация осуществляется с применением электрохимических (электролитических, электролизных) устройств разного конструктивного исполнения.
Известно устройство для электрохимической обработки жидкой среды, выполненное в виде электролизера с плоскими монополярными электродами положительной и отрицательной полярности, между которыми образована межэлектродная полость (GB 1526687, G02F 1/46, 1978). В указанной межэлектродной полости этого устройства проводят электрохимическую обработку жидкой среды с получением смешанных анодных и катодных продуктов электролиза, а также выделяющихся при электролизе газов.
Известно также устройство для униполярной электрохимической обработки жидкой среды, выполненное в виде диафрагменного электролизера с плоскими монополярными электродами положительной и отрицательной полярности, между которыми размещен ионопроницаемый разделительный элемент в виде плоской диафрагмы или мембраны, разделяющий межэлектродную полость на анодную и катодную камеры с патрубками для подачи и отвода жидкой среды. В этих изолированных униполярных электродных камерах жидкая среда подвергается униполярной анодной или катодной электрохимической обработке с получением анодных или катодных продуктов электролиза, а также выделяющихся при электролизе газов («Очистка питьевой воды, синтез моющих, дезинфицирующих и стерилизующих растворов из воды», выпуск пятый, М., 1992, стр.5, 11, Рекламно-издательский центр ЯиК).
Известно электрохимическое диафрагменное устройство с плоскими монополярными электродами положительной и отрицательной полярности, между которыми размещен ионопроницаемый разделительный элемент в виде плоской полимерной мембраны, разделяющий межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры с патрубками для подачи и отвода жидкой среды, причем в анодной камере также расположен по меньшей мере один плоский биполярный электрод (US 4248681, C25B 1/22, 1981).
При эксплуатации этого устройства электрохимической обработке подвергается насыщенный раствор натрия хлорида, причем в электродной камере с анодом и одним или несколькими биполярными электродами получают смесь хлора с двуокисью хлора, используемую для обеззараживания воды в плавательном бассейне.
Известно также устройство проточное электрохимическое (проточный электролитический элемент), используемое в составе электрохимической установки для обработки воды или водно-солевого раствора. Оно содержит коаксиально расположенные в вертикальной плоскости трубчатый и стержневой цилиндрические монополярные электроды, между которыми образована кольцевая межэлектродная полость, разделенная ионопроницаемой керамической трубчатой диафрагмой на изолированные униполярные электродные кольцевые камеры. На противоположных концах электродов установлены диэлектрические разъемные коллекторные элементы с патрубками для подачи и отвода жидкой среды, состоящие из коллекторной втулки и коллекторной головки, между обращенными друг к другу состыкованными поверхностями которых образован кольцевой паз. В нем установлен эластичный уплотнительный кольцевой элемент, в котором закреплен конец керамической трубчатой диафрагмы, а зазор между обращенными друг к другу поверхностями коллекторной втулки и монополярного трубчатого электрода уплотнен герметикой. На торцевой стенке коллекторной головки имеется кольцевая канавка с уплотнительным кольцевым элементом, а на резьбовых концах монополярного стержневого электрода, которые расположены снаружи коллекторной головки, установлены стандартные крепежные элементы в виде гайки и шайбы (US 5628888, C25B 9/00, 1996).
Недостаток этого проточного электрохимического устройства состоит в усложненной конструкции его разъемного коллекторного элемента в виде втулки, состыкованной с коллекторной головкой, а также в невысокой надежности уплотнения кольцевого зазора посредством герметика, наносимого ручным способом.
Ближайшим прототипом предложенного электрохимического устройства является электрохимическое устройство для обработки жидкой среды, выполненное в виде трубчатого и стержневого коаксиально расположенных монополярных цилиндрических электродов с закрепленными на их концах диэлектрическими коллекторными втулками, внутренняя полость которых сообщена с кольцевой межэлектродной полостью между обращенными друг к другу поверхностями монополярных электродов, с каналами и патрубками для подачи и отвода жидкой среды и герметизирована эластичными кольцевыми элементами, в кольцевой межэлектродной полости коаксиально размещен ионопроницаемый диафрагменный или мембранный разделительный трубчатый элемент и/или по меньшей мере один биполярный трубчатый электрод, закрепленные эластичными кольцевыми элементами, причем межэлектродная кольцевая полость разделена на сообщающиеся или изолированные электродные камеры и/или на электролизные ячейки для получения униполярных и/или смешанных разнополярных продуктов электролиза, коллекторные втулки выполнены со ступенчатой внутренней поверхностью, а патрубки для подачи и/или отвода жидкой среды расположены на боковой и/или торцевой поверхности по меньшей мере одной из коллекторных втулок (RU 2130786, C25B 2/18, C02F 1/46, опубл. 27.05.1999).
Недостаток данного устройства заключается в недостаточной конверсии электролита или иного обрабатываемого раствора из-за неэффективности процесса переноса ионов вещества электролита.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является обеспечение более полной конверсии раствора хлорида натрия или другого электролита и соответственно получение большего количества продуктов электролиза с меньшей площади используемых электродов, с меньшей потерей непрореагировавшего электролита. Также достигаемым техническим результатом является снижение потерь электроэнергии благодаря увеличению допустимой рабочей концентрации электролита.
Указанный технический результат достигается тем, что электрохимическая ячейка для обработки растворов электролитов, содержащая размещенные в корпусе коаксиально расположенные трубчатые электроды, наружно расположенный из которых является анодом, а внутренне расположенный является катодом, и между которыми размещена трубчатой формы керамическая диафрагма для образования анодной и катодной камер, а также устройства подачи воды и солевого раствора и вывода их смеси, снабжена разделительной мембраной, вставленной в верхней части анодной камеры для отвода из полости перед анодом продуктов анодной обработки и исключения проникновения воды, подаваемой в полость над этой мембраной.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
На фиг.1 - конструктивная схема электрохимической ячейки.
Согласно настоящему изобретению рассматривается устройство электрохимической ячейки для обработки растворов электролитов, которая позволяет обеспечить более полную конверсию раствора хлорида натрия или другого электролита и соответственно получить большее количество продуктов электролиза при меньшей площади используемых электродов и меньшей потери непрореагировавшего электролита.
Устройство электрохимической ячейки для обработки растворов электролитов содержит корпус 1, в котором размещены коаксиально расположенные трубчатые электроды, наружно расположенный трубчатый электрод 2 является анодом, а внутри него расположен трубчатый электрод 3, являющийся катодом. Между трубчатыми электродами размещена трубчатой формы керамическая диафрагма 4, образующая анодную 5 и катодную 6 камеры путем разделения полости между внутренним и наружно размещенными электродами на две указанные камеры. Разделительная мембрана 7 вставляется в верхней части анодной камеры 5, которая позволяет покинуть пространство перед анодом продуктам анодной обработки и препятствует проникновению воды, подаваемой в пространство над мембраной. Солевой раствор из отдельной емкости 8 подается через регулируемый кран 9. Также имеется эжекторный насос 10 для перемещения смеси воды и католита в верхнее пространство анодной камеры между разделительной мембраной 7 и верхней частью коллекторной втулки. Электроды подключены к источнику электропитания питания через систему регулирования напряжения и тока. В корпусе организованы каналы для подводящих и отводящих патрубков для подачи воды и раствора хлорида натрия, канал 11 вывода анолита и смеси воды с солевым раствором.
В настоящем изобретении технический результат достигается тем, что в коаксиально расположенных трубчатых электродах, разделенных трубчатой керамической диафрагмой, образующей анодную и катодную камеры, вставляется дополнительная мембрана в верхней части анодной камеры, которая позволяет покинуть пространство перед анодом продуктам анодной обработки и препятствует проникновению воды, подаваемой в пространство над мембраной. Данное решение позволяет защитить материалы коллекторной втулки, уплотнители от воздействия сильных окислителей - продуктов анодной реакции, так как вода подается по образующей и движется от входа в коллекторную втулку до выхода из нее по спирали, захватывая и растворяя в себе пузырьки электролизных газов и незначительное количество электролита, прошедшего через разделительную мембрану. Увеличение сопротивления протоку воды, протекающей над разделительной мембраной, позволит эффективней осуществлять перенос ионов вещества электролита сквозь разделяющую керамическую диафрагму, что в свою очередь снизит энергопотребление ячейки в целом.
Электроды ячейки выполняются из титана, причем анод покрывается оксидом рутения и иридия для защиты анода от растворения и работы в качестве катализатора электролизных процессов. Марка титана должна соответствовать марке ВТ1-0 или ВТ1-00. Керамическая диафрагма изготавливается из оксида алюминия и диоксида циркония. Разделяющая мембрана изготавливается из химически стойких материалов, таких как фторопласт, и может иметь любую форму и уплотнение, выполняя функцию ниппеля. Коллекторная втулка электролизера изготавливается также из химически стойких материалов и имеет как минимум 3 присоединительных разъема.
Достоинством данной системы является, помимо перечисленных, препятствование работы ячейки без жидкости внутри анодной камеры, так как разделительная мембрана не имеет герметичного соединения и позволяет воде проникнуть внутрь анодной камеры и предотвратить работу недозаполненной ячейки.
Работу ячейки обеспечивает правильное гидравлическое присоединение в систему электролизной установки.
Для работы системы требуются раствор хлорида натрия, водопроводная вода и электроэнергия.
Вода проходит через внутреннюю полость внутреннего электрода (катода), охлаждая его, затем, пройдя через устройство ввода, которое создает разряжение в катодной камере ячейки, подтягивая католит из катодной камеры, а на его место поступает раствор электролита из емкости. Скорость подачи раствора хлорида натрия контролирует регулирующий кран, ограничивая чрезмерное расходование электролита. Католит, растворившись в протекающей воде, повышает ее pH, что подготавливает воду к лучшему растворению в ней продуктов анодной реакции.
Далее смесь воды и католита поступает по касательной в верхнее пространство анодной камеры между разделительной мембраной и верхней частью коллекторной втулки, омывая разделительную мембрану и унося с собой продукты электролиза.
Таким образом, на выходе из анодной камеры получается раствор анолита в смеси католита с водой (РАСКат).
Поскольку католит преимущественно состоит из раствора гидрооксида натрия, а основными компонентами анолита являются хлорноватистая кислота, гипохлорит ион, атомарный хлор, диоксид хлора, при смешении этих растворов в большом количестве воды pH готового продукта (РАСКат) стремится к нейтральному значению.
Преимущество данной схемы
1. Охлаждение ячейки в процессе электролиза.
2. Преимущественное образование хлорноватистой кислоты на аноде, что значительно улучшает дезинфицирующие свойства (РАСКат).
3. Поддержание низкого значения pH в анодной камере, что значительно увеличивает срок службы анодного покрытия.
Изобретение позволяет обеспечить возможность увеличения производительности электролизных систем по степени конверсии исходного электролита в процессах, связанных с получением продуктов анодных реакций на месте их применения, таких как станции водоподготовки и очистки сточных вод, плавательные бассейны, градирни систем охлаждения оборотных вод промышленных предприятий, обработка нефти и газа, пищевая промышленность, медицина, сельское хозяйство.