Диафрагмальный электролизёр
DIAPHRAGMATIC ELECTROLYSER

Изобретение относится к устройствам очистки сточных и природных вод от шестивалентного хрома и может быть использовано для очистки гальваностоков машиностроительных заводов, в различных отраслях промышленности, в том числе горнорудной, химической и т.д.
Известен ряд устройств и способов очистки сточных вод от шестивалентного хрома, таких как: реагентный метод, биохимический, электрохимические, сорбционные, комбинированные и др. Однако, вышеперечисленные стандартные методы очистки растворов от шестивалентного хрома сопровождаются рядом недостатков, таких как: значительный расход металлических растворимых анодов, пассивация анодов, необходимость больших избытков реагента (солей железа), большие количества осадка и сложность его обезвоживания, дороговизна и дефицитность сорбентов, большой расход реагентов, длительное отстаивание воды.
Известен электроактиватор для очистки сточных вод, включающий корпус, выполненный в виде прямоугольной емкости с размещенной в ней перегородкой, электроды-аноды и катоды с тоководами, подводящий и отводящий трубопроводы. Перегородка выполнена полупроницаемой из плотного брезента, и размещена в емкости в начале пуска гальванических сточных вод, а аноды и катоды установлены вертикально перед перегородкой и после нее по направлению движения гальваностоков от подводящего трубопровода к отводящему трубопроводу с возможностью образования перед перегородкой кислых гальваностоков, а после перегородки - щелочных (патент РФ на полезную модель №144016).
Известен электроактиватор для очистки сточных вод с использованием двух перегородок, первая - вдоль электроактиватора, выполненная из плотного брезента, вторая - дырчатая перегородка, установлена в начале корпуса-резервуара, а анод и катод с тоководами установлены с обеих сторон вдоль первой перегородки по направлению движения гальваностоков к отводящему трубопроводу после электроактивации гальванических сточных вод (патент РФ на полезную модель №144 069).
Известен бытовой диафрагменный электролизёр (патент РФ на изобретение №2344996) для очистки воды. Электролизёр содержит две пористые диафрагмы, разделяющие пространство корпуса-сосуда на три камеры: катодную, промежуточную и анодную, расстояние между пористыми диафрагмами выбирается большим расстояния, которое успевают пройти за время проведения электролиза воды или водосодержащих жидкостей наиболее быстрые катионы, отрываемые электрическим полем с поверхности анодного электрода. Технический эффект заключается в улучшении качества католита. Изобретение выбрано в качестве прототипа.
Недостатками вышеуказанных технических решений являются сложность изготовления и громоздкость установок; трудоёмкость, не достаточная степень очистки и длительность процессов очистки сточных вод, большие энергозатраты.
Технической проблемой настоящего изобретения является повышение качества очистки сточных вод от шестивалентного хрома.
Техническая проблема решается за счет того, что диафрагмальный электролизёр содержит корпус, катод и анод, разделенные между собой пористой диафрагмой, соединенные с источником напряжения, при этом корпус выполнен в виде цилиндра; катод, выполнен в виде пластины из нержавеющей стали и установлен вдоль внутренней стенки корпуса; анод размещен в центре цилиндрической ёмкость меньшего диаметра, коаксиально установленной внутри корпуса, на боковой стенке ёмкости выполнены отверстия, а вдоль поверхности помещена ткань, выполняющая функцию пористой диафрагмы; корпус и ёмкость выполнены из материала коррозионностойкого к шестивалентному хрому.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена экспериментальная установка диафрагменного электролизёра в разрезе.
Кроме того, результаты экспериментальной отработки по очистке воды от шестивалентного хрома даны в таблице, где указаны показатели содержания общего хрома в пробах хромсодержащей жидкости до и после очистки.
Диафрагмальный электролизёр представляет собой совокупность цилиндрических ёмкостей, выполненных из коррозионностойкого к шестивалентному хрому материала (нержавеющая сталь, керамика, полимерный материал и прочие), установленных коаксиально. Вдоль внутренней стенки внешней ёмкости 1, являющейся корпусом электролизёра, установлен катод 2 из нержавеющей стали - материала, обладающего коррозионной стойкостью. Катод 2 представляет из себя пластину, повторяющую форму корпуса. На боковой стенке внутренней ёмкости 3 выполнены многочисленные отверстия 4, диаметр отверстий выбран произвольно. Суммарная площадь отверстий не превышает 30% площади поверхности ёмкости, т.к. её излишнее увеличение влияет на снижение скорости диффузии ионов хрома в процессе электролиза. Расстояние между отверстиями и их диаметр могут быть различными. В центре малой ёмкости 3 располагается графитовый анод 6. Вдоль поверхности помещена ткань 5, выполняющая функцию диафрагмы. В качестве такой ткани выбирают пористый и устойчивый к шестивалентному хрому материал, например, брезент или лавсан.
Расстояние L между анодом 6 и катодом 2 кратно пути миграции аниона хрома в единицу времени t (с).
t = L / (1,3⋅E⋅b),
где Е = 2,04 В/см - напряженность электрического поля между электродами в жидкости,
4
2-
2
b [CrO] = 0,00074 см/(с·В) - подвижность анионов,
Пример практического применения предлагаемого изобретения.
Отработка проводилась на экспериментальной установке. Наружный диаметр ёмкости 1- 114 мм, внутренний - 106 мм; диаметр ёмкости 3 - 70 мм. Катод 2 выполнен в форме пластины из нержавеющей стали 12Х18Н10Т; высота пластины - 105 мм, толщина пластины - 1 мм. Диаметры двадцати одного отверстия на боковой стенке ёмкости 3-10 мм каждое, диаметры двухсот восьмидесяти малых отверстий - 4 мм каждое. Диаметр графитового анода 6-12 мм. Объем заливаемого раствора - 0,65 л. Для подключения электродов используют источник постоянного тока. Для регистрации параметров тока и напряжения на электролизёре используют приборы - мультиметры FLUKE 179 и MASTECH MY-67.
Расчёт времени электролиза проводили по формуле:
1,3⋅Е⋅b⋅t⋅≥ L ≥ 1,0⋅E⋅b⋅t, (1)
где: E - напряженность электрического поля между электродами в жидкости, В/см;
2
–1
–1
b - подвижность анионов, см·В·с;
t - время электролиза, с;
L - расстояние равное пути миграции аниона, см.
Из выражения (1) определяли время электролиза, за которое все анионы хрома перемещаются из катодного пространства в анодное.
t = L / (1,3⋅E⋅b), (2)
4
2-
2
при L = 4 см; Е = 2,04 В/см; b [Cr O] = 0,00074 см/(с⋅В)
t = 29 мин.
Пример работы
Очистка гальваностоков от шестивалентного хрома проводилась на воде гальванического цеха, взятой из ванны с промывной водой, следующей за ванной хромирования с хромсодержащим раствором при производстве (нанесении покрытий) деталей летательных аппаратов.
Электролизёр заполняют хромсодержащим раствором в объеме 0,65 л. Электроды подключают к источнику постоянного тока. При подаче напряжения 10В на клеммы электродов с силой тока 0,27-0,29 А под действием электрического поля анионы хрома мигрируют из катодной камеры Vk (пространство, образованное между стенками ёмкостей 1 и 3) в анодную Va (пространство внутри ёмкости 3). Концентрации анионов хрома определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Среднее значение пути миграции аниона хрома исходя из размеров диафрагменного электролизёра равно 4 см. Использование диафрагмы 5, например из брезентовой ткани, исключает взаимодействие продуктов электролиза – анолита и католита.
Как видно из таблицы, при проведении электролиза в течение времени равном 29 мин. степень очистки составляет 96%.
Способ очистки гальваностоков от шестивалентного хрома с применением заявляемого технического решения обеспечивает достижение технического результата - повышение степени очистки, а именно, получение степени очистки более 90% с невысоким расходом электроэнергии.
Диафрагмальный электролизёр
Таблица
Продолжительность эксперимента, мин.
Концентрация хрома в исходном растворе, мг/дм<sup>3</sup>
Концентрация хрома в анолите, мг/дм<sup>3</sup>
Концентрация хрома в католите, мг/дм<sup>3</sup>
Степень очистки католита, %
15
7,0
12,9
1,09
84,4
20
13,3
0,62
91,1
29
13,3
0,29
95,86