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 электродиализатора, которое используется для проведения процесса в жидких агрессивных средах. Устройство содержит диэлектрический корпус, разделенный параллельно ионопроницаемыми мембранами на камеры. Для подвода электролита и отвода продуктов электролиза в камерах установлены входные и выходные патрубки. Электроды установлены внутри корпуса, анод выполнен из платины, а катод из нержавеющей стали. Электроды соединены с источником питания токоподводами. [Стендер В.В., «Прикладная электрохимия». Издательство ХГУ, Харьков, 1961, с.46-47].
Известное устройство обладает следующими недостатками: громоздкость конструкции и большой вес; при ремонте предусматривается много слесарных и токарных работ, что продляет длительность ремонта; сильный разогрев токоподводов, низкая стойкость электродов, частая их замена, что приводит к остановке процесса для замены электродов; высокая стоимость электрохимического устройства в случае применения платины в качестве материала анода.
Известна индукционная электрохимическая установка, в которой устранены некоторые из этих недостатков тем, что 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 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 (тока) через насос с электродной анодной камерой электрохимической ячейки. В частном случае электролит, заполняющий гидравлические контуры представляет собой насыщенный раствор NaCl.
Недостатками прототипа являются изготовление электрохимической ячейки из твердого диэлектрического материала, приводящее к громоздкости конструкции и ее большому весу, тем более при необходимости наличия нескольких ячеек и сравнительно длительный ремонт 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.
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 уменьшении габаритов, веса электрохимической ячейки, а также в упрощении замены вышедших из строя конструкционных элементов электрохимического устройства, путем изготовления камер из гибкого материала, который позволяет свернуть электрохимическую ячейку в компактный рулон.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемая полезная модель, как и прототип, содержит, по меньшей мере, одну электрохимическую ячейку, имеющую разделенные ионообменными мембранами 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 и центральную камеру для получения деионизованного раствора с входным и выходным патрубками, 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, 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 (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, камеры по периметру ионообменных мембран герметично соединены в гибкие пакеты.
Целесообразно, чтобы камера для получения католита и камера для получения анолита были дополнительно снабжены входными патрубками.
Для уменьшения габаритов электрохимической ячейки гибкие пакеты могут быть свернуты в рулон, при этом корпус должен быть выполнен цилиндрическим.
Целесообразно гибкие прокладки в камерах выполнять в виде рамок, по периметру герметично соединенных с ионоселективными мембранами.
При наличии нескольких электрохимических ячеек в установку дополнительно вводится распределительный коллектор.
Использование гибких конструкционных материалов в сочетании с жидкостными электродами позволяет создать компактную электрохимическую установку, что существенно снижает себестоимость устройства.
Число электрохимических ячеек определяется в зависимости от необходимой производительности установки. При использовании батарейной системы свернутых в рулоны камер и распределительного коллектора, это позволяет разместить устройство в ограниченном пространстве.
Наличие входных патрубков во всех пакетах рабочих камер позволяет подавать обрабатываемый раствор в любую из рабочих камер, тем самым расширяет возможности использования устройства. Например, возможно очищение раствора только от определенных видов примесей.
На фиг.1 изображена функциональная схема индукционной электрохимической установки. На фиг 2. представлен продольный вид камеры с частичным разрезом. На фиг.3 изображен пакет рабочих камер. На фиг.4 - пакет рабочих камер - вид сверху.
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, выполненного на основе двух униполярных генераторов с жидкостным ротором, а также электрохимическую ячейку 10. Электрохимическая ячейка 10 разделена ионообменными мембранами на камеры: электродные катодную 11 и анодную 12 для прокачки электролита с входными 13, 15 и выходными патрубками 14, 16 и рабочие камеры: для получения католита 17 с входным 18 и выходным патрубком 19, для получения анолита 20 с входным 21 и выходным патрубком 22, центральную 23 для получения деионизованного раствора с входным 24 и выходным патрубками 25. Внешние стенки электродных камер 11, 12 выполнены из гибкого иононепроницаемого материала, например полиэтилена. Все камеры выполнены в виде гибких пакетов (фиг.2, 3, 4), и герметично соединены по периметру сваркой или пайкой или склеены. В камерах между ионообменными мембранами для образования зазора вставлены прокладки 26, 27, 28, 29, 30 (фиг.2, 3, 4), которые могут быть выполнены в виде рамок из гибкого материала, например полиэтилена, внешние края рамок могут быть присоединены по периметру пакетов. Электродная катодная камера 11 электрохимической ячейки 10, соединенная через насос 31 с соответствующими вторичными обмотками 3 трансформатора 1 образует катодный гидравлический контур. Анодный гидравлический контур образован соединением устройства для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9 через насос 32 с электродной анодной камерой 12 электрохимической ячейки 10.
Устройство работает следующим образом при подаче питания между первичной 2 и вторичной обмоткой 3 трансформатора 1 возникает электрическое поле, раствор NaCl прокачиваемый по вторичной обмотке 3, с помощью насоса 31, подается из смесителя 8 через входной патрубок 13 в электродную катодную камеру 11, при этом в электродной катодной камере 11 сосредотачиваются отрицательно заряженные ионы, а через выходной патрубок 14 раствор направляется в смеситель 8 для восстановления. Из смесителя 8 через устройство для индуцирования постоянной составляющей напряжения (тока) 9 по вторичной обмотке 3 через входной патрубок 15 в электродную анодную камеру 12 прокачивается раствор NaCl, при этом в электродной анодной камере 12 сосредотачиваются положительно заряженные ионы, и через выходной патрубок 16 с помощью насоса 32 раствор направляется в смеситель 8 для восстановления. Таким образом, между электродной катодной камерой 11 и электродной анодной камерой 12 возникает электрическое поле, под воздействием которого обрабатывают раствор в камере для получения католита 17, центральной рабочей камере 23, либо в камере для получения анолита 20.
Для получения деионизированного раствора в центральную рабочую камеру 23 через входной патрубок 24 подается раствор для обработки, при этом в камере для получения католита 17 и в камере для получения анолита 20 происходит концентрирование катионов и анионов из обрабатываемого раствора, под действием электрического поля созданного в электродной катодной камере 11 и электродной анодной камере 12. После окончания обработки раствор удаляется из центральной рабочей камеры 23 через выходной патрубок 25.
Для очистки раствора от катионов, раствор подается в камеру для получения анолита 20 через входной патрубок 21, при подаче питания электродная катодная камера 11 и электродная анодная камера 12 создают поле, под действием которого катионы раствора переходят через ионообменные мембраны центральной рабочей камеры 23 в камеру для получения католита 17. После обработки растворы удаляются из камер 17, 20, 23 через выходные патрубки 19, 22, 25.
Для очистки от анионов необходимо подавать раствор в камеру для получения католита 17 через входной патрубок 18, при подаче питания электродная катодная камера 11 и электродная анодная камера 12 создают поле, под действием которого анионы раствора переходят через мембраны центральной рабочей камеры 23 в камеру для получения анолита 20. После обработки растворы удаляются из камер 17, 20, 23 через выходные патрубки 19, 22, 25.
2
Полезная модель поясняется примером конкретного выполнения. Раствор, предназначенный для обработки, по данным атомно-абсорбционного анализа имел состав, приведенный в таблице. В смеситель 8 заливали электролит - насыщенный раствор NaCl, после чего включали насосы 31, 32. Электролит насосом 31 прокачивали по вторичной обмотке 3 через электродную катодную камеру 11, а насосом 32 электролит прокачивали по вторичной обмотке 3 через электродную анодную камеру 12. В центральную рабочую камеру 23 электрохимической ячейки через входной патрубок 24 помещали раствор для обработки, а в рабочую камеру для получения католита 17 через входной патрубок 18 и в рабочую камеру для получения анолита 20 через входной патрубок 21 помещали раствор водного электролита. Питание электрохимической ячейки осуществляли переменным ассиметричным током. Процесс проводили при плотности тока 0,5 А/дм, в течении 20 минут. В рабочих камерах для получения католита 17 и камерах для получения анолита 20 наблюдалось концентрирование ионов примесей обрабатываемого раствора, а в центральной рабочей камере после окончания обработки получен обессоленный раствор, состав которого приведен в таблице. После обработки растворы из камер 17, 20, 23 удаляли через выходные патрубки 19, 22, 25. По данным 5 атомно-абсорбционного анализа содержание примесей в обессоленной воде соответствовал требованиям предельно допустимых концентрации.
Заявляемое устройство может служить не только для получения обессоленного раствора, но и для разделения жидкостей по ионному составу, селективного выделения отдельных компонентов исходной смеси, в зависимости от частоты питающего напряжения, а при наличии нескольких электрохимических ячеек возможно повышение производительности всей системы.
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, мг/л
5,0·10<sup>-2</sup>
1,6·10<sup>-4</sup>