ИНДУКЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области прикладной электрохимии, а именно к аппаратурному обеспечению электрохимических технологий для разделения жидкостей по ионному составу, и очистки от примесей неорганического и органического происхождения при повышенной концентрации исходного раствора, очистки и разделения смесей электролитов с использованием ионитовых мембран.
Известно устройство [см. патент №RU 2100286 С1 Пушняков Николай Карпович, Найда Николай Николаевич «Способ обеззараживания воды и устройство для его реализации» Заявка: 96123069/25 Дата подачи заявки: 1996.12.11.] для обеззараживания воды, содержащее два электролизера, при этом электролизеры, снабженные катионообменными мембранами и имеющие на вводах в анодные камеры подключения от дозирующих емкостей, и соединенные друг с другом так, что вывод из анодной камеры первого электролизера подключен к вводам в анодную и катодную камеры второго электролизера, вывод из анодной камеры второго электролизера подключен к камере смешения с исходной обрабатываемой водой, поступающей в первый электролизер, а выводы из катодных камер первого и второго электролизеров представляют собой выходные тракты полученных в электрохимическом устройстве растворов.
В качестве прототипа выбрана индукционная электрохимическая установка [см. патент на полезную модель RU №81189 МПК 2006.01 C25F 1/48, С25В 9/00, С25В 11/00 от 22.09.2008, 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 выбрано за прототип.
Недостатками прототипа являются: невозможность очистки воды и водных растворов от примесей неорганического и органического происхождения, сложных по своему составу. Кроме того, камеры для получения католита и камеры для получения анолита имеют только выходные патрубки для отвода соответственно католита и анолита, что ограничивает возможности использования этого устройства для решения различных технологических задач электрхимической очистки, разделения и выделения различных примесей.
Задачей полезной модели является создание компактной многофункциональной, надежной и относительно дешевой электрохимической установки позволяющей улучшить конструкцию, удешевить изготовление устройства и расширить возможности его использования для очистки воды и водных растворов от примесей неорганического и органического происхождения, имеющих сложный состав, за счет снижения общего количества деталей и вариации комплектации устройства в зависимости от поставленной задачи и необходимой производительности, а также обеспечить возможность проведения безреагентной очистки воды и водных растворов от примесных элементов, используя процессы электрокоагуляциии в диафрагменном электролизере с ионообменными мембранами и нерастворимыми электродами, закрытыми защитными ионитовыми или биполярными мембранами, т.е. выделять примесные ионы с изменением фазового состояния (при достижении в катодной камере рН=9-14 соли всех металлов, кроме щелочных, выпадают в форме мелкодисперсного осадка, который затем легко удаляется фильтрованием или центрифугированием).
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в том, что в индукционную электрохимическую установку в качестве нагрузки введен не электродиализатор, а электрокоагулятор, что позволяет проводить ряд электрохимических процессов невозможных при использовании электродиализатора. Кроме того, заявляемое устройство может служить не только для разделения жидкостей по ионному составу, но и для селективного выделения отдельных компонентов исходной смеси, в зависимости от частоты питающего тока, а при наличии нескольких электрохимических установок можно повысить производительность всего комплекса.
Указанный технический результат достигается следующим образом:
Заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит, по меньшей мере, две и более электрохимических ячеек, имеющих две камеры, разделенные ионообменной мембраной. В отличие от прототипа электрохимическая установка не имеет центральной камеры. Устройство для индуцирования переменной составляющей напряжения (тока), выполнение 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 микшера-накопителя, соединенного с устройством для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока). При этом используется только одна пара жидкостных электродов (анод и катод), а промежуточные электроды заменены биполярными мембранами. Кроме того, для расширения круга возможностей решения электрохимических задач пары катодных и анодных камер снабжены отдельными входными и выходными патрубками. 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.
Число электрохимических ячеек определяется в зависимости от решаемой задачи и необходимой производительности установки.
На фиг.1 приведена 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 18 на электродные камеры: катодную 16 и анодную 15 для прокачки электролита с входными (нижние патрубки) и выходными (верхние патрубки) штуцерами (фиг.1) и рабочие камеры: для выделения катионов 11 с входными (нижние) и выходным (верхние) патрубками и для выделения анионов 12 с входными (нижние) и выходными (верхние) патрубками. Между каждой парой (анодной и катодной) и рабочими камерами вместо электродов устанавливаются биполярные мембраны.
Устройство работает следующим образом: При подаче электропитания питания между первичной 2 и вторичной обмоткой 3 трансформатора 1 возникает электрическое поле. В катодном контуре раствор NaCl из смесителя-накопителя 8 через штуцер 6 по вторичной обмотке 3-1 (w 21) с помощью насоса 25 прокачивается через патрубок 14, электродную катодную камеру 16, выводится через выходной патрубок 13 и через бифилярно намотанную вторичную обмотку трансформатора 3-2 (w 22) направляется через входной патрубок 4 в смеситель 8 для регенерации, при этом в электродной катодной камере 16 сосредотачиваются положительные заряженные ионы. В анодном контуре раствор NaCl из смесителя-накопителя 8 через штуцер 7, устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, через входной патрубок 36, электродную анодную камеру 15, выходной патрубок 32 прокачивается насосом 26 через устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, выполненного на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором и через штуцер 5 возвращается в смеситель-накопитель 8 для регенерации, при этом в электродной анодной камере 15 сосредотачиваются отрицательно заряженные ионы. Таким образом, между электродной катодной камерой 16 и электродной анодной камерой 15 возникает электрическое поле, под воздействием которого исходный раствор обрабатывается как в катодных камерах для получения католита 11, так и в анодных камерах для получения анолита 12. Сформированный таким образом пакет, состоящий из электродных анодной и катодной камер, набора катодных и анодных рабочих камер между которыми проложены разделительные мембраны (в зависимости от поставленной задачи катионитовые или анионитовые) сжат с помощью шпилек и прижимных плит 31 через резиновые изолирующие прокладки 33, между парами анодных и катодных камер вместо промежуточных электродов проложены биполярные мембраны и образует многокамерный, многофункциональный электролизер с жидкостными электродами.
Технический результат: повышение степени очистки поверхностных, технологических и сточных вод и водных растворов от примесей неорганического и органического происхождения сложного состава при одновременном сокращении эксплуатационных расходов.
Полезная модель поясняется примером конкретного выполнения и принципиальной схемой устройства. Полученный после очистки и исходный раствор по данным атомно-абсорбционного анализа имел состав, приведенный в таблице 1.
Пример технического исполнения.
1. Подготовка и работа электродной системы: В микшер-накопитель 8 заливали насыщенный раствор НСl по метку расположенную на корпусе, а в буферную емкость 30 исходный раствор, предназначенный для очистки и содержащий компоненты, указанные в таблице 1, после чего включали насосы 25, 26. Электролит - насыщенный раствор NaCl прокачивали насосом 25 из микшера-смесителя 8 через выходной патрубок 7 по катодному контуру через вторичную обмотку 3-2 (w 22), через входной патрубок 14, катодную электродную камеру 16, выходной патрубок 13 по вторичной обмотке 3-1 (w 21) через штуцер 4 и возвращали в микшер-смеситель 8 на регенерацию. Из микшера-смесителя 8 электролит - насыщенный раствор NaCl поступал через штуцер 7 и устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, выполненное на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, входной патрубок 36, в электродную анодную камеру, а через выходной патрубок 32, через устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, патрубок 5 и возвращался в микшер-смеситель 8 для регенерации.
2. Подготовка и работа анодного и катодного рабочих контуров:
Анодную буферную емкость 30 заполняли исходным раствором электролита, содержащим ионы, указанные в таблице 1, затем включали насос 28 и заполняли камеры для получения анолита 12 через входной патрубок коллектора 19 анодных камер, через выходной патрубок коллектора 34 раствор возвращался в буферную емкость 30.
Катодную буферную емкость 29 заполняли принимающим 5% раствором НСl, затем включали насос 27 и заполняли камеры для получения 11 католита через входной патрубок коллектора 20 катодных камер, через выходной патрубок 35 раствор возвращался в буферную емкость 29.
Указанными действиями обеспечивалась циркуляция исходного (очищаемого) и принимающего растворов.
2
Питание электрохимической ячейки осуществляли переменным асимметричным током промышленной частоты. Процесс проводили при плотности тока 0,5А/дм, в течении 20 минут. В рабочих камерах для получения католита 11 и анолита 12 наблюдалось концентрирование соответствующих ионов примесей из очищаемого раствора.
Содержание компонентов в исходном и принимающем растворах в случае использования в качестве источника электропитания переменного асимметричного тока резонансной частоты представлены в таблице 2.
По данным атомно-абсорбционного анализа содержание примесей в обессоленной воде соответствует требованиям предельно-допустимых концентраций.
Индукционная электрохимическая установка
Таблица 1.
№ пробы
Элементный состав
Исходная вода, г/л (рН=6)
Очищенная вода, г/л
рН=7
рН=9
рН=11,5
1
Zn
9,98
3,97
0,12
2,5 10<sup>-3</sup>
Fe
0,2
3,5 10<sup>-3</sup>
9 10<sup>-4</sup>
5,4 10<sup>-4</sup>
Сu
0,01
1,2 10<sup>-3</sup>
7 10<sup>-4</sup>
3 10<sup>-4</sup>
Сa
0,45
0,45
0,43
0,1
Mg
0,35
0,35
0,33
0,05
Na
10,67
10,04
9,19
9,01
2
Fe
21,9
Следы
Zn
1,82
-
Ni
0,45
-
Mo
0,74
0,2
Сu
2,35
0,2
Cr<sup>+6</sup>
0,012
-
3
Cl<sup>-</sup>
1,76
2,7 10<sup>-3</sup>
SO<sub>4</sub> <sup>-2</sup>
2,53
3,6 10<sup>-3</sup>
СO<sub>3</sub> <sup>-</sup>
0,69
1,8 10<sup>-3</sup>
Таблица 2.
Элементный состав
Исходная вода, г/л
Принимающий раствор, г/л
Частота, Гц
Zn
2,5·10<sup>-3</sup>
2,1·10<sup>-3</sup>
737
Fe
5,4·10<sup>-4</sup>
5,3·10<sup>-4</sup>
574
Сu
3,4·10<sup>-4</sup>
3,2·10<sup>-4</sup>
1508
Са
0,1
0,9·10<sup>-1</sup>
1206
Mg
0,05
0,4·10<sup>-2</sup>
2010
Na
9,01
8,9
4200
Примечание: В случае выделения заданного компонента на резонансных частотах в принимающем растворе, содержание остальных компонентов находится на уровне следов.