ИНДУКЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области прикладной электрохимии, а именно к аппаратурному обеспечению электрохимических технологий для разделения жидкостей по ионному составу, для увеличения концентрации исходного раствора, очистки и разделения смесей электролитов, а также для получения глубокообессоленной воды.
Известно устройство для глубокого обессоливания маломинерализованных растворов и получения солевых концентратов [«Электроионитная установка для глубокого обессоливания маломинерализованных растворов и получения солевых концентратов» Патент №2090251 B01D 61/48 Заявка №93044267/26 от 05.09.93. Публикация от 20.09.97.], содержащее электроионитный аппарат, включающий электродные камеры, заполненные ионообменной смолой, камеры обессоливания, образованные рамками, установленными между катионитовыми и анионитовыми мембранами, и расположенный между камерами обессоливания электрохимически нейтральный насадочный материал, камеры концентрирования, образованные рамками, зажатыми между катионо- и анионообменными мембранами, причем камеры обессоливания и камеры концентрирования расположены поочередно и соединены посредством трубопровода и арматуры с емкостями концентрируемого и обессоливаемого растворов, установка дополнительно содержит репульпатор, соединенный через шаровой клапан на его входе с гидроэлеватором, соединенным посредством трубопровода с электроионитным аппаратом и посредством трубопровода с насосом, связанным с емкостью обессоленной воды. В верхней и нижней стенках рамок камер обессоливания электроионитного аппарата с внутренней стороны выполнены углубления, заполненные электрохимически нейтральным пористым материалом с образованием дренажных каналов, кроме того, в соединенных вместе рамках и мембранных камерах обессоливания и концентрирования, а также в электродных камерах выполнены четыре сквозных отверстия: два из них образуют соответственно нижний и верхний распределительные коллекторы для ввода обессоливаемого раствора в нижние дренажные каналы и вывода обессоленного раствора из верхних дренажных каналов, а два других сквозных отверстия образуют соответственно верхний и нижний коллекторы для ввода и вывода пульпы смолы, сообщающиеся с полостями камер обессоливания посредством каналов, выполненных в рамках камер обессоливания в непосредственной близости от дренажных каналов. Устройство используется для проведения процесса глубокого обессоливания природных и технологических растворов в оборотном водоснабжении, в том числе для водоподготовки в теплоэнергетических системах.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является известная индукционная электрохимическая установка, 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. Данное устройство является наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту, поэтому выбирается за прототип.
Прототип имеет следующие недостатки: необходима регенерация ионообменных смол с применением реагентов (кислот и щелочей), что приводит к ухудшению экологической обстановки; невозможно использовать оборудование существующих ионообменных технологий без переделки их конструкции, а это потребует установки электродной системы и больших материальных затрат; громоздкость конструкции, большой вес; сильный разогрев токоподводов и выход их из строя; низкая стойкость электродов и частая их замена. Поэтому необходимо конструировать и создавать новое оборудование, что исключает применение существующего.
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) появляется возможность применения стандартного оборудования, в которое технологично встраивается система электродов и рабочих камер для извлечения примесных ионов; 2) уменьшаются габариты, вес электрохимической ячейки, упрощается замена вышедших из строя конструкционных элементов электрохимического устройства, путем изготовления камер из гибкого материала, который позволяет компактно свернуть элементы электрохимической ячейки по форме стандартной емкости для ионообменной смолы, применяемой в существующих технологиях обессоливания водных растворов. Кроме того, заявляемое устройство может служить не только для получения обессоленного раствора, но и для разделения жидкостей по ионному составу, разделения изотопов, 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 выходным и выходным патрубками, для получения анолита с выходным и выходным патрубками и центральную камеру для получения деионизованного раствора с входным и выходным патрубками заполненную смесью ионообменных смол (катионитовой и анионитовой в соотношении 1:1), 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), при этом 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 в виде рамок, камеры по периметру ионообменных мембран герметично соединены в гибкие пакеты.
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, выполненном на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, а также электрохимическую ячейку 10. Электрохимическая ячейка 10 разделена ионообменными мембранами на электродные камеры: катодную 12 и анодную 19 для прокачки электролита с входными 13, 21 и выходными патрубками 14, 22 и рабочие камеры: для выделения катионов 17 с входным 28 и выходным патрубком 30, для выделения анионов 18 с входным 15 и выходным патрубком 33, центральную камеру 23 для получения деионизованного раствора с входным 24 и выходным 25 патрубкам. Внешние стенки электродных камер 11, 12 выполнены из гибкого иононепроницаемого материала, например полиэтилена. Все камеры выполнены в виде гибких пакетов и герметично соединены по периметру сваркой, пайкой или склеены. Электродная катодная камера 17 электрохимической системы, соединенная через насос 35 с соответствующими вторичными обмотками 3-1 (w 22), 3-2 (w 21) трансформатора 1 образует катодный гидравлический контур. Анодный гидравлический контур образован соединением устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9 через насос 34 с электродной анодной камерой 18 электрохимической системы.
Устройство работает следующим образом: При подаче питания между первичной 2 и вторичной обмоткой 3 трансформатора 1 возникает электрическое поле. В катодном контуре раствор NaCl поступает из смесителя-накопителя 8 через штуцер 6 по вторичной обмотке 3-1 (w 22) через патрубок 22 через электродную катодную камеру 12 через выходной штуцер 21, и выводится через выходной патрубок 21 через бифилярно намотанную вторичную обмотку трансформатора 3-2 (w 21) после чего с помощью насоса 30 направляется в смеситель 8 для восстановления, при этом в электродной катодной камере 12 сосредотачиваются положительные заряженные ионы. В анодном контуре раствор NaCl прокачивается из смесителя 8 через штуцер 7 и вход устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, через входной патрубок 15 в электродную анодную камеру 12 и через выходной патрубок 13 с помощью насоса 31, через выход устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, через штуцер 5 возвращается в смеситель 8 для восстановления, при этом в электродной анодной камере 12 сосредотачиваются отрицательно заряженные ионы. Таким образом, между электродной катодной камерой 11 и электродной анодной камерой 12 возникает электрическое поле, под воздействием которого в камере для получения католита 17 обрабатывается раствор и концентрируются катионы примесей, в центральной рабочей камере 23 заполненной смесью катионообменной и анионообменной смол (1:1) происходит обессоливание, в растворе камеры для получения анолита 20 концентрируются анионы примесей.
Полезная модель поясняется примером конкретного выполнения. Раствор до и после обработки по данным атомно-абсорбционного анализа имел состав, приведенный в таблице.
Пример технического исполнения:
1. Подготовка и работа электродной системы: В микшер-смеситель 8 заливали насыщенный раствор HCl по метку расположенную на корпусе, после чего включали насосы 31, 30. Электролит - насыщенный раствор HCl из микшера-смесителя 8 через вторичную обмотку 3-2 (w 22) насосом 30 прокачивался через штуцер 14, катодную электродную камеру и через штуцер 13 по вторичной обмотке 3-1 (w 21) через штуцер 4 и возвращался в микшер смеситель 8 на восстановление, а электролит прокачивался из микшера-смесителя 8 через штуцер 7 и устройство для индуцирования постоянной составляющей 9, выполненное на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, через штуцер 15, электродную анодную камеру 12, через штуцер 16 с помощью насоса 31 прокачивается через устройство для индуцирования постоянной составляющей 9, через штуцер 5 и направлялся в микшер-смеситель 8 для восстановления.
2. Под готовка и работа андного и катодного контуров: В буферные емкости анодной 26 и катодной 27 камер заливался принимающий раствор 5% HCl. После чего включались насосы 34, 35.
Для получения деионизированного раствора в центральную рабочую камеру (основной объем аппарата) 23, заполненную ионообменной смолой, через входной патрубок 24 подавался раствор, предназначенный для обработки, содержащий компоненты, указанные в таблице 1 и выводился через патрубок 25. При этом в камере для получения католита 17 и в камере для получения анолита 20 происходило концентрирование катионов и анионов примесей из обрабатываемого раствора под действием электрического поля созданного соответственно в электродной катодной камере 11 и электродной анодной камере 12.
Для очистки раствора от катионов, промывной раствор из буферной емкости 27 подавался насосом 29 в камеру для выделения катионов примесей 18 через входной патрубок 21, выводился через патрубок 19 и возвращался в буферную емкость 27, таким образом, промывной раствор непрерывно циркулировал по промывному контуру.
Для очистки от анионов промывной раствор подавался из буферной емкости 26 в камеру для выделения анионов 20 насосом 28 через входной патрубок 21 и выводился через патрубок 22 и таким образом, промывной раствор непрерывно циркулировал по промывному контуру.
При подаче питания электродная катодная камера 12 и электродная анодная камера 19 создавали поле, под действием которого катионы и анионы из очищаемого раствора переходили соответственно через катионитовую и анионитовую мембраны центральной рабочей камеры 23, заполненной ионообменной смолой в катодную 17 и анодную 20 промывные камеры.
2
Питание электрохимической ячейки осуществлялось переменным асимметричным током. Процесс обессоливания проводили при плотности тока 0,5 А/дм, в проточном режиме течении 8 часов. В промывных контурах: катодной камере 17 и анодной камере 20 наблюдалось концентрирование ионов примесей обрабатываемого раствора, а в центральной рабочей камере, заполненной ионообменной смолой, получался обессоленный раствор, состав которого приведен в таблице.
По данным атомно-абсорбционного анализа содержание примесей в обессоленной воде соответствовало требованиям предельно допустимых концентраций.
Индукционная электрохимическая установка
Таблица
Элементный состав
Исходная вода, г/л
Обессоленная вода, г/л
Цинк
2,5·10<sup>-3</sup>
1,1·10<sup>-4</sup>
Железо
5,4·10<sup>-4</sup>
1,9·10<sup>-5</sup>
Медь
3,4·10<sup>-4</sup>
2,6·10<sup>-5</sup>
Кальций
0,1
1,5·10<sup>-4</sup>
Магний
0,05
1,8·10<sup>-4</sup>
Натрий
9,01
1,6·10<sup>-4</sup>
Фенол, г/л
5,0
1,6·10<sup>-3</sup>