ПРОТОЧНЫЙ ДИАФРАГМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР
FLOW DIAPHRAGM CELL

Изобретение относится к прикладной электрохимии и может использоваться для получения из воды католита, анолита и их смеси, которые, в свою очередь, могут использоваться в качестве жидкостей, стимулирующих и нормализующих процессы в различных биологических объектах, и жидкостей-антисептиков.
Известен проточный диафрагменный электролизер, содержащий общее основание, шесть одинаковых электродных блоков, систему трубопроводов, насос, два выпрямителя, регулятор напряжения, шкаф управления и электрическую сеть [1]. Каждый электродный блок содержит цилиндрический корпус, внутренняя поверхность которого выполняет роль катода, цилиндрический стержень, расположенный на оси корпуса, внешняя поверхность которого выполняет роль анода, и нейтральную диафрагму, выполненную в виде отрезка цилиндрической трубы и расположенную между внутренней поверхностью корпуса и цилиндрическим стержнем, патрубок для ввода воды одновременно в катодную и анодную камеры, который расположен в нижней части корпуса, патрубок для вывода католита, расположенный в верхней части корпуса, и патрубок для вывода анолита, который расположен в нижней части корпуса. Все электродные блоки соединены параллельно по трубопроводной сети и параллельно по электрической сети.
Недостатком электролизера является то, что в процессе его работы на поверхностях катодов и поверхностях диафрагм, обращенных к катодам, осаждаются слои непроводящих электрический ток солей, которые ухудшают работу электролизера. Это требует периодического очищения поверхности катодов и диафрагм путем заполнения катодных камер сильной кислотой или путем разборки цилиндрических узлов, механического удаления слоев солей с внутренних поверхностей корпусов и погружения диафрагм в жидкости, растворяющие соли, находящиеся в их порах.
Известно техническое решение задачи упрочнения угольных электродов диафрагменного (мембранного) электролизера, заявленное в качестве полезной модели, имеющей формулу: «Электролизер, содержащий два угольных электрода, выпрямитель переменного тока, электрическую вилку, мембрану, корпус и емкость для активированной воды, причем электрическая вилка соединена со входом выпрямителя, помещенного в корпус, отличающийся тем, что в устройство введены сдвоенный переключатель на два положения, два светодиода с ограничивающими их ток резисторами и выходы выпрямителя подсоединены к средним контактам сдвоенного переключателя, причем одна пара перекрестных крайних контактов переключателя связана между собой и через соответствующие резисторы с двумя светодиодами и подключена к положительному потенциальному выходу выпрямителя, а вторая пара перекрестных крайних контактов связана между собой и подключена непосредственно к выводу отрицательной полярности выпрямителя» [2]. Принципиальная схема такого устройства приведена на фиг.2 описания полезной модели и рисунке, приведенном на с.457 БИПМ №13, 2001 г. Однако такая схема неработоспособна, так как один угольный электрод оказывается всегда подсоединенным к отрицательному выводу выпрямителя, и при подаче на другой угольный электрод, ранее выполнявший роль анода, отрицательного напряжения ничего полезного не происходит (между двумя электродами, находящимися под одинаковым отрицательным потенциалом, ток не протекает и никаких электрохимических реакции электродов с водой не происходит).
Наиболее близким к заявляемому устройству является проточный электролизер, содержащий диэлектрический корпус с крышкой, ряд пористых гофрированных диафрагм, гофры которых расположены в корпусе вертикально и которые разделяют внутреннее пространство корпуса на ряд чередующихся катодных и анодных камер, в каждой камере вертикально размещены две металлические пластины-электроды, все металлические пластины-электроды, кроме крайних, выполнены перфорированными, перфорированные пластины-электроды прижаты к гофрированным мембранам, три отрезка диэлектрической трубы, в стенках которых на одной образующей внешней цилиндрической поверхности выполнены отверстия и один конец каждого из которых закрыт заглушкой, а на другом конце выполнена внешняя резьба, первый и второй отрезки трубы закреплены с двух сторон корпуса в нижней его части и через отверстия соединены с катодными и анодными камерами, резьбовые концы первого и второго отрезков трубы размещены в задней части корпуса, а сами отрезки выполняют роль узлов, собирающих из катодных и анодных камер соответственно католит и анолит, третий отрезок диэлектрической трубы закреплен на крышке корпуса и соединен через отверстия в стенке с катодными и анодными камерами, при этом резьбовой конец третьего отрезка размещен в передней части корпуса, а сам отрезок трубы выполняет роль узла, распределяющего воду между катодными и анодными камерами, два трубопроводных вентиля и источник постоянного напряжения [3].
Недостатком электролизера-прототипа является то, что в процессе его работы на поверхностях катодов и поверхностях диафрагм, обращенных к катодам, осаждаются слои непроводящих электрический ток солей, которые ухудшают работу электролизера. Это требует периодического очищения поверхностей катода и диафрагм путем заполнения катодных камер сильной кислотой или путем разборки электролизера, механического удаления слоя солей с поверхностей катодных пластин и погружения диафрагм в жидкости, растворяющие соли, находящиеся в их порах. Другим недостатком электролизера-прототипа является то, что в его составе нет проточного смесителя католита и анолита (известно, что смесь католита и анолита является более сильным стимулятором для биологических объектов, чем католит [4]).
Задачей изобретения является увеличение продолжительности работы проточного электролизера без ухудшения качества целевого продукта и расширение его функциональных возможностей (создание возможности получения смеси католита и анолита в самом электролизере).
Решение поставленной задачи достигается тем, что в проточный диафрагменный электролизер, содержащий корпус, разделенный пористыми диафрагмами на катодные и анодные камеры, в которых размещены катодные и анодные электроды, три отрезка диэлектрической трубы, в стенках которых на одной образующей внешней цилиндрической поверхности выполнены отверстия и один конец каждого из которых закрыт диэлектрической заглушкой, а на другом конце выполнена внешняя резьба, первый и второй отрезки трубы закреплены с двух сторон корпуса в нижней его части и через отверстия соединены с катодными и анодными камерами, а третий отрезок трубы закреплен в верхней части корпуса, первый и второй трубопроводные вентили, понижающий трансформатор, выключатель сети переменного напряжения, последовательно соединенный с предохранителем и входной обмоткой понижающего трансформатора, и выпрямитель, входы переменного напряжения которого подключены к выходной обмотке понижающего трансформатора, дополнительно введены штуцеры, каждый из которых имеет сквозное центральное отверстие, наружную резьбу на одном конце и ряд последовательно соединенных усеченных конусов на другом конце, четвертый отрезок диэлектрической трубы, аналогичный первым трем, при этом во всех четырех отрезках отверстия в их стенках выполнены резьбовыми и в них вкручены штуцеры, пятый отрезок диэлектрической трубы, на концах которого выполнена внешняя резьба, третий трубопроводный вентиль, вход которого соединен с концом пятого отрезка диэлектрической трубы, трубопроводный тройник-разветвитель, вход которого соединен с выходом третьего трубопроводного вентиля, а его выходы - с входами первого и второго трубопроводных вентилей, первый и второй гибкие шланги, оканчивающиеся с одного конца трубками с наружной резьбой, соединенными с выходами первого и второго трубопроводных вентилей, а с другого конца накидными гайками, соединенными с резьбовыми концами первого и второго отрезков диэлектрической трубы, спаренный электрический переключатель, содержащий два одновременно переключаемых двухканальных переключателя, каждый из которых имеет два входа и один выход, первый вход первого и второй вход второго переключателей и второй вход первого и первый вход второго переключателей соединены соответственно с отрицательным и положительным выводами выпрямителя, выполненные из упругой диэлектрической трубки и предназначенные для соединения пар штуцеров между собой патрубки, длина которых выбрана в пределах двух-трех длин внешних концов штуцеров, корпус с входящими в его состав объектами, имеющими одинаковую ширину, выполнен разборным и содержит чередующиеся катодные и анодные электроды, изготовленные в виде прямоугольных металлических пластин, каждая из которых имеет примыкающий сверху к одному из ее верхних углов выступ с отверстием, причем выступ первой металлической пластины расположен слева, выступ второй металлической пластины расположен справа и так далее, пористые диафрагмы выполнены плоскими, прямоугольной формы, прилегающие с обеих сторон к диафрагмам прямоугольные диэлектрические рамки, в боковой перемычке каждой из которых, в ее нижней части, выполнено боковое сквозное резьбовое отверстие, в которое вкручен штуцер, а в верхней перемычке - аналогичное вертикальное сквозное резьбовое отверстие, ось которого смещена относительно вертикальной оси рамки в сторону, не содержащей бокового сквозного резьбового отверстия боковой перемычки, и в которое также вкручен штуцер, плоские прямоугольные диэлектрические прокладки, размеры плоскостей которых повторяют размеры плоскостей рамок и которые прилегают одновременно к рамкам и металлическим пластинам-электродам, диэлектрические переднюю и заднюю стягивающие пластины-стойки, ширина которых выполнена равной ширине стягиваемых объектов, а их высота превышает высоту стягиваемых объектов на длину патрубков, верхние углы стягивающих пластин-стоек выполнены скошенными, в стягивающих пластинах-стойках и во всех стягиваемых объектах выполнены крепежные отверстия, оси которых находятся в четырех плоскостях, расположенных перпендикулярно плоскостям стягиваемых объектов, и которые проходят на расстояниях от внешних поверхностей рамок на расстояниях, равных половине ширины их перемычек, на нижних и верхних плоскостях стягивающих пластин-стоек выполнены крепежные резьбовые отверстия, стягивающие шпильки, размещенные в крепежных отверстиях стягиваемых объектах, шайбы, надетые на концы шпилек, и гайки, накрученные на концы шпилек, два резьбовых стержня, размещенных с накрученными на них гайками в отверстиях выступов пластин-электродов и гальванически соединяющих между собой однополярные пластины-электроды с выводами первого и второго переключателей, два поперечных бруска прямоугольного сечения, изготовленные из твердого диэлектрика, имеющие длину, превышающую ширину стягивающих пластин-стоек, и отверстия, передняя и задняя стягивающие пластины-стойки закреплены на двух поперечных брусках при помощи своих нижних резьбовых крепежных отверстий и стягивающих винтов, пропущенных через отверстия поперечных брусков, в брусках также выполнены крепежные резьбовые отверстия для крепления первого и второго отрезков диэлектрической трубы через прямоугольные диэлектрические пластины при помощи скобок, имеющих крепежные отверстия, и винтов, вкрученных в резьбовые отверстия поперечных брусков, третий и четвертый отрезки диэлектрической трубы расположены над штуцерами, ввернутыми в резьбовые отверстия верхних перемычек рамок, и закреплены на верхних плоскостях стягивающих пластин-стоек при помощи аналогичных скобок и винтов, вкрученных в верхние резьбовые отверстия стягивающих пластин-стоек, резьбовые концы первого и второго и резьбовые концы третьего и четвертого отрезков диэлектрической трубы расположены соответственно со стороны передней и задней стягивающих пластин-стоек, в собранном электролизере оси резьбовых отверстий в отрезках диэлектрической трубы совпадают с осями резьбовых отверстий рамок, в него также дополнительно введены проточный смеситель католита и анолита и общее прямоугольное основание, на котором закреплены узлы электролизера, при этом свободный резьбовой конец пятого отрезка диэлектрической трубы выполняет роль общего трубопроводного входа электролизера, первый и второй отрезки диэлектрической трубы совместно с соединенными с ними штуцерами и патрубками выполняют роль узлов, распределяющих воду между катодными и анодными камерами, а третий и четвертый отрезки диэлектрической трубы совместно с соединенными с ними штуцерами и патрубками - роль узлов, собирающих из катодных и анодных камер католит и анолит.
В частном случае проточный смеситель католита и анолита содержит трубчатый тройник-смеситель, третий и четвертый гибкие шланги, аналогичные первому и второму, и шестой отрезок диэлектрической трубы, аналогичный пятому отрезку, третий и четвертый гибкие шланги своими концами, оканчивающиеся металлическими трубками с наружной резьбой, соединены с входами тройника-смесителя, входной конец шестого отрезка диэлектрической трубы соединен с выходом тройника-смесителя, а накидные гайки третьего и четвертого гибких шлангов соединены с резьбовыми концами третьего и четвертого отрезков диэлектрической трубы.
Работа предлагаемого устройства поясняется схемами и чертежами электролизера, его отдельных узлов и элементов.
На фиг.1 приведена трубопроводная схема проточного электролизера, а на фиг.2 - его электрическая схема. На фиг.3 показано взаимное расположение металлических пластин-электродов, плоских прямоугольных диэлектрических прокладок, плоских прямоугольных диэлектрических рамок и плоских диафрагм в электролизере, а на фиг.4 - взаимное расположение первого и второго отрезков диэлектрической трубы, один конец каждого из которых закрыт диэлектрической заглушкой, а на другом конце выполнена внешняя резьба, с вкрученными в них штуцерами и надетыми на штуцеры патрубками. На фиг.5 приведена конструкция электролизера (вид спереди и сверху).
На фиг.1 обозначено: 1 - корпус электролизера; 2 и 3 - первый и второй отрезки диэлектрической трубы со стороны их резьбовых концов; 4 и 5 - третий и четвертый отрезки диэлектрической трубы со стороны их резьбовых концов; 6 - пятый отрезок диэлектрической трубы; 7 и 8 - первый и второй трубопроводные вентили; 9 - третий входной трубопроводный вентиль; 10 - трубчатый тройник-разветвитель; 11 и 12 - первый и второй гибкие шланги, каждый из которых оканчивается с одного конца металлической трубкой с наружной резьбой и с другого конца - накидной гайкой; 13 - трубчатый тройник-смеситель; 14 и 15 - третий и четвертый гибкие шланги, аналогичные первому и второму; 16 - шестой отрезок диэлектрической трубы.
На фиг.2 обозначено: 17 - понижающий трансформатор; 18 - выключатель сети переменного напряжения; 19 - предохранитель; 20 - выпрямитель; 21 и 22 - резьбовые стержни (электрические шины); 23 - спаренный электрический переключатель; 24, 25 и 26 - первая, вторая и последняя металлические пластины-электроды.
На фиг.3 обозначено: 27 - первая плоская диэлектрическая прокладка; 28 - первая плоская диэлектрическая рамка; 29 - первая плоская диафрагма; 30 - вторая плоская прямоугольная диэлектрическая рамка; 31 и 32 - вторая и третья плоские прямоугольные диэлектрические прокладки; 33 - третья плоская прямоугольная диэлектрическая рамка; 34 - боковое сквозное резьбовое отверстие под штуцер; 35 - вертикальное сквозное резьбовое отверстие под штуцер; 36 - выступ металлической пластины-электрода; 37 - отверстие выступа металлической пластины-электрода; 38 - крепежное отверстие.
На фиг.4 обозначено: 39 - винтовая диэлектрическая заглушка второго отрезка 3 диэлектрической трубы; 40 - штуцер; 41 - патрубок.
На фиг.5 обозначено: 42 и 43 - передняя и задняя стягивающие диэлектрические пластины-стойки; 44 - шпилька; 45 - передний диэлектрический брусок прямоугольного сечения; 46 - прямоугольная диэлектрическая пластина; 47 - скоба.
Перед работой электролизера осуществляют следующие операции.
Полностью закрывают третий входной вентиль 9 и полностью открывают первый 7 и второй 8 вентили. Пятый отрезок 6 диэлектрической трубы подключают к водопроводу, а электрическую сеть электролизера - к сети переменного напряжения 220 В. Резьбовые концы третьего 4 и четвертого 5 отрезков диэлектрической трубы присоединяют при помощи шлангов к идущим к потребителю трубам, содержащим перекрываемые отводы для взятия проб католита и анолита. Открывают вентиль подключенного к входу электролизера водопровода. Затем постепенно открывают третий входной вентиль 9, включают выключатель 18 сети переменного напряжения и подбирают при помощи вентилей 7, 8 и 9 такие скорости прохождения воды через катодные и анодные камеры, при которых значения водородного показателя рН и окислительно-восстановительного потенциала Eh католита и анолита оказываются приемлемыми для потребителя (пробы католита и анолита берут через названные выше отводы).
Предлагаемый электролизер работает следующим образом.
Поступающая через третий входной вентиль 9 вода разветвляется при помощи тройника-разветвителя 10 на два направления. Одна часть ее проходит через первый вентиль 7, другая часть - через второй вентиль 8. Далее вода проходит по первому 11 и второму 12 гибким шлангам, первому 2 и второму 3 отрезкам диэлектрической трубы, штуцерам 40 и патрубкам 41 и поступает в катодные и анодные камеры электролизера (в большинстве случаев в катодные и анодные камеры в единицу времени поступают разные объемы воды). Католит и анолит из корпуса электролизера 1 выходят через третий 4 и четвертый 5 отрезки диэлектрической трубы.
Для получения смеси католита и анолита к третьему 4 и четвертому 5 отрезкам диэлектрической трубы подсоединяют проточный тройник-смеситель 13 при помощи третьего 14 и четвертого 15 гибких шлангов.
Особенностью предлагаемого электролизера является то, что соотношение между получаемыми объемами католита и анолита сохраняется при смене полярности напряжения на металлических пластинах-электродах (при переключении переключателя 23 в другое положение), при пересоединении гибких шлангов 11 и 12 с входов отрезков 2 и 3 на входы отрезков 3 и 2 и при пересоединении шлангов потребителя, подсоединенных к резьбовым концам отрезков 4 и 5 диэлектрической трубы. При этом с выходов отрезков 4 и 5 вместо католита будет поступать анолит, а вместо анолита - католит (в прежних объемных соотношениях).
При подаче на металлические пластины-электроды пульсирующего однополярного напряжения с выпрямителя 20 начинается процесс электролиза воды. В катодных камерах значение водородного показателя рН жидкости сдвигается в область больших значений, а значение окислительно-восстановительного потенциала Eh - в область меньших значений, в анодных камерах значение рН сдвигается в область меньших значений, а значение Eh - в область больших значений. Водород, выделяемый на поверхности катодных пластин, поднимается вверх и уходит вместе с католитом. Кислород, выделяемый на поверхности анодных пластин, также поднимается вверх и уходит вместе с анолитом. Католит является донором электронов (восстановителем, антиоксидантом), а анолит - акцептором электронов (окислителем, оксидантом).
Водопроводная вода, как правило, не является антиоксидантом. Смесь католита и анолита является антиоксидантом всегда, в том числе и при значениях рН смеси меньших 7,0. Например, смесь католита и анолита, полученных из водопроводной воды, имевшей рН 7,2 и Eh=+250 мВ, при рН смеси 7,2 имела Eh=-300 мВ. В смеси католита и анолита (так же, как и в католите) в процессе ее релаксации имеют место сверхнизкочастотные фликкер-шумовые электрические и акустические колебания, выполняющие информационную роль для биологических объектов (в католите наблюдаются более сильные колебания, чем в смеси католита и анолита).
Пересоединение шлангов на входе отрезков 2 и 3 и пересоединение шлангов на выходе отрезков 4 и 5 могут также производиться при помощи дополнительно введенных трубопроводных вентилей и шлангов или спаренных трубопроводных кранов-переключателей и дополнительных шлангов.
Постоянная составляющая напряжения, снимаемая с выхода выпрямителя 20, выбирается в пределах 12-24 В.
Периодическая смена полярности напряжения, подаваемого на металлические пластины-электроды, и пересоединение шлангов способствуют увеличению срока службы электролизера без ухудшения качества католита, анолита и их смеси, поскольку в этом случае осаждаемые в катодных камерах на поверхности металлических пластин-электродов и поверхности мембран соли в следующий период работы электролизера (в период, когда катодные камеры становятся анодными) растворяются в анолите.
Смешивание католита и анолита без доступа кислорода воздуха, в отличие от открытого способа смешивания католита и анолита, улучшает качество смеси.
Источники информации
1. Обзорная информация. Сер. «Пищевая промышленность. Вып.3. Электрохимическая активация водных растворов и ее технологическое применение в пищевой промышленности». Тбилиси: Груз. НИИНТИ, 1988. - 80 с. (рис.16).
2. Свидетельство РФ на полезную модель №17920, кл. С25В 9/00. Электролизер. Опубл. 10.05.2001. БИПМ №13.
3. Пат. РФ №2224722, кл. C02F 1/46. Опубл. 27.02.2004. БИПМ №6 - прототип.
4. А.с. СССР №1574196, кл. A01N 59/00. Опубл. 30.06.1990. Бюл. №24.