ПЕРЕНОСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ

Переносное устройство для электрохимической обработки жидкости
Полезная модель относится к области прикладной электрохимии, в частности к переносным устройствам для электрохимической обработки воды и/или водных растворов с целью направленного изменения их свойств. Полезная модель предназначена для использования как самым широким кругом индивидуальных потребителей, в том числе и частнопрактикующими врачами, так и в различных медицинских учреждениях, санаториях, домах отдыха, научных лабораториях в различных условиях эксплуатации - как стационарных, так и полевых.
Необходимость обрабатывать воду с целью обеспечения возможности управлять ее свойствами, очищать ее и повышать ее качество является нормой. Кроме того, получение растворов, обладающих специфическими, например, дезинфицирующими свойствами, является насущной потребностью человека при любых возможных обстоятельствах его работы и жизни. В условиях централизованного водоснабжения или при получении растворов в промышленных масштабах такие задачи решаются с помощью стационарных установок сравнительно большой производительности. Однако, эффективного инструмента для решения таких задач в случае необходимости получения небольшого количества растворов разного назначения, а тем более в полевых условиях, в настоящее время нет.
Известные переносные установки, обеспечивающие обработку небольшого количества воды или водных растворов, реализуют принцип размещения электродной системы в ограниченном объеме воды.
Известно переносное устройство для обработки жидкости, содержащее корпус с размещенной в нем электродной системой, выполненной в виде цилиндрических коаксиальных внутреннего анода, внешнего катода и установленной между ними диафрагмы (Патент РФ № 2040479, С 02 F 1/46, опубл. 27.07.95 ). В корпусе также расположены токоподводы, и устройство снабжено источником тока.
В известном устройстве предусмотрена возможность обработки различных по химическому составу растворов в анодной и катодной камерах, и, кроме того, за счет изменения параметров тока можно изменять характеристики анолита и католита, и получать целевой продукт как из катодной, так и из анодной камер.
C02F 1/46
стояние, что повышает расход энергии. Также в известном устройстве невозможно получить воду или раствор, являющиеся продуктом последовательной обработки, например, вначале у катода, а затем - у анода. Кроме того, в известном устройстве свойства полученных растворов зависят от его абсолютных размеров и соотношения размеров в межэлектродном пространстве, и применение каждого конкретного образца устройства, в частности в медицине, требует проведения специальных исследовательских работ по стандартизации получаемых растворов и собственно устройства для электрохимического преобразования воды или раствора.
В прикпадной электрохимии известны также портативные устройства для обработки воды, реализующие проточный принцип работы. Однако реализация этого принципа в известных установках приводит к увеличению габаритов, так как корпус установки содержит резервуар с обрабатываемой водой, из которого вода самотеком поступает в электродную камеру устройства и выводится потребителю (Заявка Японии № 56152786 А, C02F 1/46, 1981). Помимо увеличения габаритов установка не позволяет одновременно получать растворы из анодной и катодной камер. Также невозможно получение растворов подвергнутых последовательной электрохимической обработке вначале в одной, а затем в другой электродных камерах.
Известно устройство Microwater, реализующее проточный принцип проведения обработки в анодной и катодной камерах (Патент США № 5, 051, 161, С25В15/02, 1991), однако это устройство обладает значительными габаритами, и его сложно использовать как переносное. Кроме того, в этом устройстве стадия электрохимической обработки включена в постоянную схему гидравлической обвязки, которая позволяет получать продукты только с установленными характеристиками. Известная установка также не предусматривает возможности обработки в электродных камерах разных по составу растворов и в разных режимах, в том числе не предусмотрена последовательная обработка раствора сначала в одной, а затем в другой электродных камерах.
Наиболее близким техническим решением является переносное устройство, содержащее корпус из диэлектрического материала с размещенными в нем электродами - цилиндрическим внутренним анодом, внешним цилиндрическим катодом, установленными коаксиально, расположенную между электродами диафрагму, разделяющую межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, и токоподводами; причем диафрагма выполнена цилиндрической из керамики на основе оксидов алюминия и циркония и установлена коаксиально электродам, анод, катод и диафрагма жестко соединены в электроднодиафрагменный блок, анодная и катодная камеры электроднодиафрагменного блока снабжены средствами для ввода и вывода обрабатываемой жидкости, сам блок жестко закреплен в корпусе. Корпус
выполнен с отверстиями, в которых герметично установлены быстроразъемные гидравлические соединения и электрический разъем. Быстроразъемные гидравлические соединения (например, ниппельные) с внутренней стороны корпуса соединены со средствами ввода и вывода анодной и катодной камер электродно-диафрагменного блока, с внешней стороны корпуса гидравлические соединения соединены с гибкими трубопроводами, а электрический разъем внутри корпуса соединен с токоподводами, а с внешней стороны корпуса - с источником питания (патент РФ № 2204530, C02F1/461, 2003). Это техническое решение, названное авторами « STEL-Compact-01, выбрано в качестве прототипа.
Применение известного решения позволяет решить широкий круг задач, обеспечить эффективную обработку воды и/или водных растворов в различных условиях с использованием различных режимов.
Техническим результатом использования настоящей полезной модели является повышение стабильности работы гидравлической схемы установки за счет исключения запорно-регулирующих элементов, упрощение обслуживания установки в процессе ее работы и обеспечение возможности получения стабильных значений параметров получаемых растворов, а также повышение ресурса ее работы за счет снижения загрязнения гидравлических линий.
Указанный технический результат достигается тем, что в переносном устройстве для электрохимической обработки жидкости, содержащем емкость для обрабатываемой жидкости, емкости для сбора анолита и сбора католита, электродно-диафрагменный блок, выполненный из цилиндрического внутреннего анода, внешнего цилиндрического катода и расположенной между ними цилиндрической диафрагмы из керамики на основе оксидов алюминия и циркония, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, анодная и катодная камеры электродно-диафрагменного блока снабжены средствами для ввода и вывода обрабатываемой жидкости, сам блок жестко закреплен в корпусе, корпус выполнен с отверстиями, и блок содержит быстроразъемные гидравлические соединения и электрический разъем, которые герметично установлены в отверстиях корпуса, быстроразъемные гидравлические соединения с внутренней стороны корпуса соединены со средствами ввода и вывода анодной и катодной камер электродно-диафрагменного блока, электрический разъем внутри корпуса соединен с токоподводами электродно-диафрагменного блока, а с внешней стороны корпуса - с источником питания, и устройство содержит шланг подачи обрабатываемой жидкости, шланг выхода католита, шланг выхода анолита и вспомогательный шланг, причем шланги выполнены в виде гибких трубопроводов, и шланг подачи обрабатываемой жидкости соединяет емкость для обрабатываемой жидкости со средствами ввода катодной или анодной и катодной камер через быстроразъемные гидравлические соединения на
равлические соединения на внешней стороне корпуса, а шланги выхода анолита и католита соединяют средства вывода анодной и катодной камер через быстроразъемные соединения на внешней стороне корпуса соответственно с емкостями для сбора анолита и католита, шланг подачи исходного раствора в установку выполнен длиной не менее 1900 мм из гибкой трубки с внешним диаметром 3 и внутренним -1 мм, шланг вывода анолита выполнен из силиконовой трубки длиной не менее 900 мм с внешним диаметром 2 и внутренним диаметром 1 мм, а шланг выхода католита выполнен из силиконовой трубки длиной не менее 900мм с внешним диаметром 2 и внутренним диаметром 1 мм, и устройство дополнительно содержит шланг для вывода части католита, выполненный в виде гибкой трубки длиной 1200 мм с внешним диаметром 1,5 и внутренним диаметром 0,3 мм. Кроме того, емкость для обрабатываемой жидкости дополнительно может содержать пневматический нагнетатель.
Наружная и внутренняя поверхности цилиндрической диафрагмы, а также наружная поверхность анода, внутренняя поверхность катода могут быть выполнены полированными, а быстроразъемные гидравлические соединения выполнены в виде ниппельных соединений.
При таком выполнении сохраняются все преимущества известного решения. Электродно-диафрагменный блок размещен внутри диэлектрического корпуса, что повышает безопасность работы установки и уменьшает ее габариты, так как размеры корпуса зависят только от размеров электродно-диафрагменного блока и не влияют на производительность установки. Сам блок является жесткой конструкцией, которая сохраняет постоянство межэлектродного расстояния, коаксиальность расположения элементов блока, что обеспечивает стабильность характеристик обработки жидкости и упрощает обслуживание устройства. Устройство может содержать различные средства для подачи и вывода обрабатываемых жидкостей из электродных камер. Они могут быть выполнены в виде различного вида патрубков, расположенных либо на теле самих электродов (или в отверстиях на поверхности электродов), или являться частью конструкции, обеспечивающей жесткое соединение электродов. Наличие средств ввода и вывода жидкости из электродных камер обеспечивает возможность работы устройства при параллельном протоке жидкости в них, или при противотоке, что расширяет функциональные возможности устройства. Корпус устройства выполнен с отверстиями, в которых герметично установлены быстроразъемные гидравлические соединения и электрический разъем. Герметизация позволяет исключить попадание жидкостей внутрь корпуса, что улучшает эксплутационные характеристики устройства и повышает его безопасность. Наличие электрического разъема позволяет использовать различные источники питания, как переносные, так и стационарные, что также расширяет функциональные возможности устройства.
Быстроразъемные гидравлические соединения обеспечивают возможность быстрого монтажа и демонтажа устройства. При этом поступление жидкости на обработку, а также отвод и сбор продуктов обработки осуществляется по гибким трубопроводам с использованием емкостей, которые входят в комплект оборудования устройства.
Устройство содержит вспомогательный шланг, который выполнен в виде трех отрезков гибкой трубки с внешним диаметром 3 и внутренним - 1 мм, соединенных тройником. Это позволяет мобильно изменять схему обработки исходного раствора.
Диафрагма блока выполнена цилиндрической из керамики на основе оксидов алюминия и циркония и установлена коаксиально электродам. Такая диафрагма является прочной, устойчивой к действию агрессивных реагентов, имеет постоянный размер пор, обладает гидрофильной поверхностью, что уменьшает вероятность налипания на рабочие поверхности диафрагмы пузырьков электролизных газов. Материал диафрагмы позволяет изготавливать диафрагмы достаточно малой толщины, что обеспечивает возможность снизить расход энергии за счет уменьшения межэлектродного расстояния. Однако даже при малой толщине, такие диафрагмы обладают достаточной прочностью, и могут выдерживать сравнительно высокий перепад давления, не изменяя своей формы. Это расширяет функциональные возможности установки и обеспечивает стандартные характеристики получаемых растворов. Кроме того диафрагма легко регенерируется от солей жесткости, которые являются основной причиной загрязнения диафрагм при обработке водных растворов.
Наружная и внутренняя поверхности цилиндрической диафрагмы, а также наружная поверхность анода, внутренняя поверхность катода выполнены полированными. Такое выполнение позволяет надежно эксплуатировать устройство в любом положении - горизонтальном, вертикальном, наклонном. При этом напора обрабатываемой жидкости достаточно для эффективного удаления пузырьков электролизных газов и их наличие не сказывается на характеристиках процесса обработки.
В устройстве целесообразно использовать электроднодиафрагменный блок, содержащий цилиндрические коаксиально установленные внутренний анод, внешний катод и диафрагму из керамики на основе оксидов алюминия и циркония, может содержать также различные добавки, например, оксид иттрия. Диафрагма разделяет межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры. Толщина диафрагмы от 0,5 до 0,7 мм. Электроды выполнены из нерастворимого при электролизе материала: в качестве анодных материалов могут использоваться титановые электроды с покрытием из смеси диоксида рутения и диоксида титана (ОРТА), или титановые электроды с покрытием благородными металлами, с покрытиями из оксидов марганца, олова, кобальта; в качестве катодных материалов могут использоваться полированные титан, тантал или цирконий, покрытие пирографитом или стеклоуглерод, и другие. Катод, анод и диафрагма могут быть установлены в диэлектрических втулках. Втулки выполнены с возможностью герметизации электродных камер и во втулках выполнены каналы, сообщающиеся с анодной и катодной камерами, причем каналы выведены на боковую поверхность втулок и снабжены патрубками. Величина межэлектродного расстояния может составлять 2,5-4,2 мм.
Анод может быть выполнен в виде одной сплошной детали или полым внутри, составным из нескольких деталей, которые могут быть выполнены из одного или разных материалов, и соединены между собой при помощи различных методов (в зависимости от материала), как то сварка лучом лазера, вакуумная сварка, механическое соединение и т.п. Во втулках может быть выполнен осевой канал, в котором герметично устанавливается анод, при этом на концевых частях анода может быть выполнена резьба, что позволяет разместить приспособления для фиксации элементов блока, которые могут быть выполнены в виде прижимных шайб и гаек, на торцах втулок. Также к концевым частям анода могут быть присоединены токоподводы, и такое их размещение обеспечит равномерность поляризации анода.
Целесообразно использовать в устройстве электроднодиафрагменные блоки установок, прошедших сертификацию и производящие сертифицированные дезинфицирующие и стерилизующие растворы. Могут быть использованы электродно-диафрагменные блоки, описанные, например, в патентах РФ №№ 2042639, 2078737,2145940 или патента США № 5, 635,040.
Выполнение шланга подачи исходного раствора в установку не менее 1900 мм из гибкой трубки с внешним диаметром 3 и внутренним 1 мм, а шлангов вывода анолита и католита из силиконовых трубок длиной не менее 900 мм с внешним диаметром 2 и внутренним диаметром 1 мм, позволяет обеспечить требуемый гидравлический режим только за счет использования гидростатического давления (емкость обрабатываемой жидкости устанавливается на уровне, превышающем уровень расположения корпуса с электродно-диафрагменным блоком, на 0,5 - 1,5 м), так как гидравлические линии обладают фиксированным гидравлическим сопротивлением, и исключить из гидравлической схемы запорно-регулировочные элементы, которые требуют контроля в процессе работы, так как несоблюдение режима их работы приводит к нестабильности характеристик получаемых растворов. В случае, если условия не позволяют использовать перепад уровней элементов установки, можно воспользоваться пневматическим нагнетателем емкости обрабатываемой жидкости.
На фиг. 1 схематически изображен электродно-диафрагменный блок, размещенный в корпусе.
На фиг. 2 и 3 изображены схемы соединения устройства, позволяющие получать дезинфицирующие и моющие растворы.
Устройство для обработки жидкости (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором с помощью эластичных (поролоновых) прокладок 2 закреплен электродно-диафрагменный блок. Блок выполнен из внешнего цилиндрического катода 3, внутреннего цилиндрического анода 4 (на фиг. 1 показаны его концевые части) и кольцевой диафрагмы между ними, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры (на фиг. 1 не показано). Анод, катод и диафрагма размещены коаксиально и жестко закреплены во втулках 5. На одной втулке 5 расположены патрубки б и 7, на другой - патрубки 8 и 9. Патрубки 7 и 8 обеспечивают ввод и вывод (или вывод и ввод) обрабатываемой жидкости соответственно в катодную камеру, а патрубки 6 и 9 соответственно в анодную. В корпусе выполнены отверстия 10, 11, 12 и 13 в которых герметично установлены быстроразъемные гидравлические соединения, соединенныевнутри корпуса
соответственно с патрубками 8, 6, 7, и 9. В корпусе также выполнено отверстие 14, в котором герметично установлен электрический разъем, соединенный внутри корпуса с токоподводами (на фиг. не показаны).
Устройство также содержит гибкие трубопроводы 15,16,17 (фиг.2и 3), емкость для обрабатываемой жидкости 18, емкость для сбора анолита 19, емкость для сбора католита 20, элемент питания 21. Устройство может содержать дополнительный шланг 22, выполненный из трех отрезков гибкой трубки 22а, 22в и 22с, соединенных тройником 23, а также может содержать шланг для отвода части католита 24, приспособление для создания избыточного давления ( на рисунках не показано).
В зависимости от условий решаемой задачи осуществляется различная гидравлическая обвязка элементов устройства и его работа.
На фиг. 2 показана схема гидравлической обвязки устройства с получением дезинфицирующего раствора - анолита нейтрального электрохимически активированного типа АНК (рН 6,8 - 7,8, окислительновосстановительный потенциал относительно хлорсеребрянного электрода сравнения (ОВП) - плюс 400 - плюс 800 мВ, концентрация оксидантов в пределах 100 - 400 мг/л) из исходного раствора хлорида натрия концентрацией 0,5 - 5,0 г/л.
Данный раствор может быть использован в соответствии с имеющимися разрешениями НИИ Дезинфектологии в стоматологических кабинетах, в поликлиниках, в сельских больницах.
к быстроразъемному гидравлическому соединению 12, обеспечивающему подачу обрабатываемой среды в катодную камеру, с помощью гибкого трубопровода 15 - шланга подачи обрабатываемой жидкости - присоединяется емкость 18 с исходным раствором, подлежащим обработке. Из гидравлического соединения 10, раствор, подвергнутый обработке в катодной камере с помощью вспомогательного шланга 22а и 22в, подается на гидравлическое соединение 13, обеспечивающее подачу раствора в анодную камеру. Из гидравлического соединения 11 готовый раствор по гибкому трубопроводу 17 - шлангу выхода анолита поступает в емкость для сбора анолита 19 ( анолит является целевым продуктом). Тройник 23 вспомогательного шланга через отрезок 22с соединен со шлангом вывода части католита 24 для отвода части раствора, обработанного в катодной камере в емкость для сбора католита 20.
Подача исходного раствора на обработку из емкости 18 обеспечивается либо снабжением емкости 18 приспособлением для повышения давления, либо за счет гидростатического давления. В этом случае, как показано на рисунке, емкость 18 располагается на высоте 0,5 -1,5 м по отношению к плоскости, в которой расположен корпус 1.
На фиг.З показана схема гидравлической обвязки устройства с получением дезинфицирующего раствора анолита типа А ( рН менее 5,0, ОВП - плюс 800 - плюс 1200 мВ, содержание оксидантов 180 -500 мг/л) и моющего раствора - католита типа К (рН более 9, ОВП - минус 700 - минус 820 мВ). Получение растворов ведут при противотоке обрабатываемой жидкости (исходного раствора хлорида натрия) в анодной и катодной камерах электродно-диафрагменного блока.
К быстроразъемным гидравлическим соединениям 12 и 13 (фиг. 3), обеспечивающим подачу обрабатываемой среды соответственно в анодную и в катодную камеры, с помощью гибкого трубопровода 15 шланга подачи исходного раствора - и с помощью дополнительного шланга, выполненного из отрезков гибкой трубки 22а, 22в и 22с, соединенных тройником 23, присоединяется емкость 18с исходным раствором, подлежащим обработке. Из гидравлического соединения 10 по гибкому трубопроводу 16 - шлангу выхода католита - выводится раствор, подвергнутый обработке в катодной камере (католит типа К, т.е. с рН более 9) и подается в емкость сбора католита 20. Из гидравлического соединения 11 готовый раствор (анолит типа А, т.е. с рН менее 5) по гибкому трубопроводу 17 - шлангу выхода анолита - поступает в емкость 19 для сбора анолита.
Разъем 14 корпуса 1 соединяют с элементом питания 21. Подача исходного раствора на обработку из емкости 18 обеспечивается либо снабжением емкости 18 приспособлением для повышения давления (на фигуре не показано), либо за счет гидростатического давления. В этом случае емкость 18 располагается на высоте 0,5 - 1,5 м по отношению к плоскости, в которой расположен корпус 1.
Полезная модель иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможностей ее осуществления.
Устройство по полезной модели включено авторами в серию устройств STEL-Compacf и предназначено для получения электрохимически активированного анолита АНК или А, а также католита К из исходного водного раствора хлорида натрия с концентрацией от 0,5 до 5,0 г/л. Для приготовления исходного раствора используется либо химически чистая соль и дистиллированная (или очищенная для гемодиализа) вода, либо обычная столовая соль и обычная водопроводная или, природная пресная вода из поверхностных или подземных водоисточников.
Электродно-диафрагменный блок устройства, использованного в примерах содержал цилиндрический внутренний анод диаметром 8 мм, керамическую диафрагму из керамики на основе смеси окислов алюминия, циркония, промотированного иттрием, (соответственно 80 и суммарно 20 % масс) толщиной 0,7 мм и длиной 210 мм, с размером пор 0,8 мкм, и внешнего цилиндрического катода в внутренним диаметром 14 мм. Электроды и диафрагма были коаксиально установлены в диэлектрических втулках. Во втулках были выполнены осевые каналы, в которых размещались концевые части анода с нанесенной на них резьбой. Жесткость конструкции обеспечивалась прокладками и прижимными элементами - шайбами и гайками, расположенными на торцах втулок. В каждой втулке были выполнены по два канала, обеспечивающие раздельный ввод и соответствующий вывод обрабатываемого раствора в анодную и катодную камеры блока. Межэлектродное расстояние составляло 3 мм. Объемы электродных камер - 10 мл - катодной камеры и 7 мл анодной. Межэлектродное расстояние - 3 мм.
Пример 1. Устройство использовалось для получения анолита и католита из исходного раствора хлорида натрия концентрацией Зг/л в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 2. В таблице 1 приведены данные по прототипу и по известным установкам того же назначения.
При достижении тех же параметров обработки устройство по полезной модели вышло на рабочий режим в течение 1 мин после подключения, в то время как устройство по прототипу требовало в среднем 15-20 минут на установку запорно-регулирующих элементов гидравлической схемы в требуемое положение. Кроме того, и при работе устройства по прототипу, как показывает практика его использования, необходимо периодически проверять параметры полученных растворов, так как запорно-регулирующие элементы самопроизвольно изменяют гидравлику процесса во времени, а при использовании устройства по полезной модели изменение гидравлики не происходило. Также следует отметить, что гидравлические линии установки по полезной модели имеют повышенный ресурс работы ( более чем в два раза увеличилось время их работы без обрастания).
Сравнительные технические характеристики электрохимических устаноТаблица 1 вок
тов, упростить обслуживание установки в процессе ее работы и обеспечить возможность получения стабильных значений параметров получаемых растворов, а также повысить ресурс ее работы за счет снижения загрязнения гидравлических линий.