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 с инертными мембранами.
Известно устройство [Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация, с.156-159] для проведения процессов ультрамикромикрофильтрации, которое используется при работе в жидких агрессивных средах. Устройство содержит диэлектрический корпус, разделенный пакетом полых волокон с двумя плитами по торцам по типу теплообменника на две рабочие камеры. Для подвода электролита и отвода продуктов электролиза в камерах установлены входные и выходные патрубки. Данное устройство обладает следующими недостатками: громоздкость конструкции и большой вес; при ремонте предусматривается много слесарных и токарных работ, что продляет длительность ремонта. Отсутствие электродной системы не позволяет интенсифицировать процесс и ограничивает возможности устройства при решении ряда технологических задач.
В качестве прототипа выбираем индукционную электрохимическую установку [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 камеры: электродные 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 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.
Основными недостатками прототипа являются раздельные электродные и рабочие камеры и наличие отдельного электролита для электродных камер и для рабочих электродов. Изготовление электрохимической ячейки из твердого диэлектрического материала, приводит к громоздкости конструкции и к ее большому весу, особенно при необходимости использования сразу нескольких ячеек и сравнительно длительному ремонту из-за большого количества слесарных и токарных работ. Кроме того, выполнение камеры для получения католита и камеры для получения анолита только с выходными патрубками для отвода соответственно католита и анолита ограничивает возможности использования этого устройства. Наличие общего микшера-накопителя для анодной и катодной электродной камер не позволяет работать с различными исходными и принимающими растворами-электролитами.
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, а также обеспечение возможности работы с раздельными электролитами, для катодных - рабочей и электродной камер и для анодных - рабочей и электродной камер. Для этого в систему вводится в качестве нагрузки устройство для микрофильтрации и в микшере-накопителе вводится биполярная мембрана 8 (фиг.1).
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в том, что при введении в индукционную электрохимическую установку в качестве нагрузки не электродиализатора, а устройства для микрофильтрации позволяет интенсифицировать как собственно процесс микрофильтрации, так и проводить ряд электрохимических процессов невозможных при использовании устройства для микрофильтрации без применения электрического поля. Кроме того, совмещаются рабочие и электродные камеры, используется один электролит для рабочих и электродных камер, уменьшаются габариты и вес электрохимической ячейки. Кроме того, заявляемое устройство может служить не только для разделения жидкостей по ионному составу (по знаку), но и для селективного выделения отдельных компонентов исходной смеси, в зависимости от частоты питающего напряжения, а при наличии в комплексе нескольких электрохимических установок возможно одновременное повышение производительности всей системы.
Указанный технический результат достигается следующим образом: Заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит, по меньшей мере, одну электрохимическую ячейку, разделенную на камеры. В отличие от прототипа она имеет две камеры электродные катодную и анодную камеры для прокачки электролита с входными и выходными патрубками и рабочие камеры: камеру для получения католита с выходным патрубком, камеру для получения анолита с выходным патрубком, причем рабочие и электродные камеры совмещены в одних объемах, камеры заключены в диэлектрический корпус, 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 микшера-накопителяс, соединенного с устройством для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока), при этом электродная плюс рабочая катодная камера электрохимической ячейки, соединенная с соответствующими вторичными обмотками трансформатора образует катодный гидравлический контур, а электродная плюс рабочая анодная камера, соединенная с выходными камерами с устройством для индуцирования постоянной составляющей (тока) образует анодный гидравлический контур, в отличие от прототипа внешняя стенка между электродными камерами выполнена из пакета полых волокон.
При наличии нескольких электрохимических ячеек в установку дополнительно вводится распределительный коллектор.
Использование анодной камеры в виде пакета из полых волокон в сочетании с жидкостными электродами позволяет создать компактную электрохимическую установку, что существенно снижает себестоимость устройства.
Число электрохимических ячеек определяет общую производительность установки.
На фиг.1 изображена функциональная схема индукционной электрохимической установки. На фиг.2 представлена фотография коллектора, внутри которого расположен пакет из полых волокон.
Установка содержит трансформатор 1 для индуцирования переменной составляяющей 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, выполненного на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, а также электрохимическую ячейку 10. Электрохимическая ячейка 10 разделена пакетом полых волокон на камеры: электродную плюс рабочую - анодную 12 для прокачки исходного раствора-электролита с входным 13 и выходным 14 патрубками и электродную плюс рабочую камеру - катодную 11 для прокачки принимающего раствора-электролита с входным 16 и выходным 15 патрубкам.
Катодный гидравлический контур образован соединением устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9 через насос 17 с электродной плюс рабочей катодной камерой 11, соединенных с соответствующими вторичными обмотками 3 трансформатора 1. Анодный гидравлический контур образован соединением устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9 через насос 18 с электродной плюс рабочей анодной камерой 12 электрохимической ячейки 10. Микшер-накопитель разделен на две камеры биполярной мембраной, обеспечивающей проводимость и исключающей смешение исходного раствора-электролита с принимающим раствором-электролитом. Соответствующие камеры микшера-накопителя со штуцерами для заливки 23 и 24 и слива 21 и 22 одновременно служат и емкостями для заливки и содержания исходного 20 и принимающего 19 растворов-электролитов.
Устройство работает следующим образом: При подаче питания между первичной 2 и вторичной обмоткой 3 (w 21) трансформатора 1 возникает электрическое поле, принимающий раствор-электролит, прокачиваемый по вторичной обмотке 3, с помощью насоса 17, подается из камеры 19 смесителя 8 входной патрубок 13 в электродную плюс рабочую катодную камеру 12, а затем через бифилярно намотанную вторичную обмотку (w 22) возвращается через патрубок 6 камеру 19 смесителя 8 для восстановления раствора-электролита. Из камеры 20 смесителя 8 через устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9 через входной патрубок 16 в электродную анодную камеру 11 прокачивается исходный раствор-электролит. При этом в электродной анодной плюс рабочей камере 12 и через выходной патрубок 14 с помощью насоса 18 раствор направляется в камеру 20 смесителя 8 для восстановления. Таким образом, между электродной плюс рабочей катодной камерой 12 и электродной плюс рабочей анодной камерой 11 возникает электрическое поле, под воздействием которого обрабатывают раствор в камере для получения католита 12, и в камере для получения анолита 11.
Полезная модель поясняется примером конкретного выполнения. Раствор, предназначенный для обработки и полученный в результате обработки, по данным атомно-абсорбционного анализа имел состав, приведенный в таблице 1.
2
Пример технического исполнения: В камеру 20 через штуцер 24 микшера-смесителя 8 заливали исходный раствор-электролит 5% раствор HCl, содержащий компоненты, указанные в таблице 1, а в камеру 19 микшера-смесителя 8 принимающий раствор 5% раствор HCl после чего включали насосы 17, 18. Принимающий раствор-электролит по катодному гидравлическому контуру - из камеры 19 через штуцер 6 по вторичной обмотке 3-1 (w 22) через входной штуцер 13 через электродную плюс рабочую катодную камеру 11, выходной штуцер 14 насосом 17 через обмотку 3-2 (w 21) в камеру 19 прокачивали и направляли для регенерации. Исходный раствор-электролит, содержащий ионы, указанные в таблице 1 по анодному гидравлическому контуру - из камеры 20 через штуцер 7 через устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9 и входной штуцер 16 через электродную плюс рабочую анодную камеру 11, через штуцер 15 насосом 18, через устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9, через штуцер 5 прокачивали, возвращая в камеру 20 смесителя-накопителя 8 исходный раствор для регенерации. Питание электрохимической ячейки осуществляли переменным ассиметричным током промышленной частоты. Процесс проводили при плотности тока 0,5 А/дм, в течении 20 минут. В рабочей камере для получения католита 11 наблюдалось концентрирование ионов примесей обрабатываемого раствора. После обработки растворы из камер 11, 12 удаляли через выходные патрубки 21, 22 при включенных насосах 17, 18. Результаты содержания компонентов после обработки в принимающем растворе в случае использования в качестве электропитания асимметричным током резонансной частоты приведены в таблице 2.
По данным атомно-абсорбционного анализа содержание примесей в обессоленной воде соответствовало требованиям предельно допустимых концентраций.
Индукционная электрохимическая установка
Таблица 1.
№
Элементный состав
Концентрация примесей, г/л
Исходная вода рН=6
Очищенная вода
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>
Cu
0,01
1,2 10<sup>-3</sup>
7 10<sup>-4</sup>
3 10<sup>-4</sup>
Са
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
Cu
2,35
-
-
0,2
Cr<sup>+6</sup>
0,012
-
-
-
Таблица 2.
Элементный состав
Концентрация примесей в исходной воде, г/л
Концентрация примесей в принимающем растворе, 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
Cu
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 в принимающем растворе, содержание остальных компонентов находится на уровне следов.