УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ

Полезная модель относится к области прикладной электрохимии, в частности к устройствам для электрохимической обработки пресной воды для повышения ее качества, и может быть использована как в бытовых условиях, так и на общественных объектах.
В прикладной электрохимии известны электрохимические устройства различной конструкции, предназначенные для обработки и кондиционирования воды. Известно, например, устройство для очистки, обеззараживания и кондиционирования питьевой воды, содержащее основной и дополнительный диафрагменные электрохимические реакторы, электроды каждого из которых разделены мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры с входами и выходами, флотационный реактор для разделения газовой и жидкой фазы обработанной исходной воды с входом в средней части и выходами в верхней и нижней частях, каталитический реактор с входом в верхней и выходом в нижней частях, линию подачи исходной питьевой воды, линию отвода обработанной питьевой воды, причем что основной и дополнительный электрохимические реакторы выполнены с обеспечением противотока обрабатываемой воды в анодных и катодных камерах, линия подачи исходной питьевой воды соединена с входом анодной камеры основного реактора, выход анодной камеры основного реактора соединен с входом анодной камеры дополнительного реактора, выход анодной камеры дополнительного реактора соединен с входом флотационного реактора, нижний выход флотационного реактора соединен с входом каталитического реактора, выход каталитического реактора соединен с входом катодной камеры дополнительного реактора, линия вывода обработанной питьевой воды соединена с выходом катодной камеры дополнительного реактора (см. патент РФ №2322394, С02F 1/46, 2006). Данное устройство позволяет повысить степень очистки воды от микроорганизмов. Недостатком известного решения является его сравнительная сложность, использование двух электрохимических реакторов и протяженных соединительных гидравлических линий, что удорожает процесс обработки воды.
Наиболее близким по технической сути является устройство для электрохимической обработки воды, содержащее диафрагменный электрохимический реактор, выполненный по крайней мере из одной вертикальной цилиндрической электрохимической ячейки, содержащей коаксиальные цилиндрический и стержневой электроды, выполненные из не растворимых при электролизе материалов и установленных в диэлектрических втулках, межэлектродное пространство между которыми разделено керамической диафрагмой на анодную и катодную камеры с входами в нижней части ячеек и выходами в их верхней части, линию подвода обрабатываемой воды с установленным на ней фильтром, соединенную с входом анодной камеры, линию перетока, соединяющую выход анодной камеры с входом катодной камеры, емкость с катализатором, с входом в верхней части и выходом в нижней, установленную на линии перетока, линию отвода обработанной воды, соединенную с выводом катодной камеры, и дополнительную емкость с входом в нижней и выходом верхней части (см. патент РФ на полезную модель №3600, С02F 1/46, 1997). Известное решение достаточно просто в эксплуатации, обеспечивает высокую степень очистки от микроорганизмов. Однако при использовании известного решения имеющиеся в вожже соли жесткости переводятся в нерастворимую форму и не удаляются из обработанной воды, что снижает качество обработки.
Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение качества обработанной воды.
Указанный результат достигается тем, что устройство для электрохимической обработки воды, содержит диафрагменный электрохимический реактор, выполненный по крайней мере из одной вертикальной цилиндрической электрохимической ячейки, в которой установлены электроды, межэлектродное пространство которых разделено мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры с входами в верхней части ячеек и выходами в их нижней части. Устройство также содержит линию подвода обрабатываемой воды с установленным на ней фильтром, соединенную с входом анодной камеры, линию перетока, соединяющую выход анодной камеры с входом катодной камеры, емкость с катализатором, с входом в верхней части и выходом в нижней, установленную на линии перетока, линию отвода обработанной воды, соединенную с выводом катодной камеры, и дополнительную емкость с входом в нижней и выходом в верхней части. В качестве катализатора в устройстве используют гранулированный активированный уголь, дополнительная емкость установлена на линии подвода воды между фильтром и входом в анодную камеру и заполнена пищевой гранулированной ионообменной Na-катионитовой смолой.
В качестве катализатора может быть использован гранулированный активированный уголь из скорлупы кокосового ореха с добавлением серебра.
В качестве фильтрующего материала в фильтре целесообразно использовать слои нетканого пропилена 5 мкм.
На линии перетока дополнительно может быть размещен датчик протока, установленный между дополнительной емкостью и входом в анодную камеру.
Устройство для электрохимической обработки воды содержит диафрагменный электрохимический реактор, выполненный по модульному принципу и может содержать одну или две вертикальные цилиндрические электрохимические ячейки, каждая из которых содержит электроды, межэлектродное пространство в которых разделено мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры с входами в верхней части ячеек и выходами в их нижней части. Выполнение реактора по модульному принципу позволяет легко регулировать производительность устройства, используя одну или две ячейки в зависимости от условий решаемой задачи.
Линия подвода обрабатываемой воды с установленным на ней фильтром соединена с входом анодной камеры, а выход анодной камеры соединен линией перетока с входом катодной камеры. Наличие фильтра позволяет очистить подаваемую воду от взвешенных примесей, предотвратить их осаждение на поверхности электродов и снизить риск засорения гидравлических линий, что влияет на качество обработанной воды. Организация потока обрабатываемой воды последовательно через анодную и катодную камеры повышает качество очистки, поскольку позволяет, в первую очередь, провести окисление органических примесей и обеззараживание воды в анодной камере за счет образования в анодной камере окислителей из растворенных в воде солей, таких как хлориды. После выхода из анодной камеры обработанная вода поступает в емкость с катализатором - активированным углем, который является и катализатором, и сорбентом и на котором происходит разрушение остаточного активного хлора и сорбция окисленных органических примесей. Обработка воды в камере с направлением потока сверху вниз позволяет полностью использовать поверхность гранулированного активированного угля и исключить проскок воды, содержащей окисленные примеси. Использование активированного угля является экономичным, обеспечивает быстрое и полное разрушение остаточного активного хлора и за счет повышенных сорбционных свойств по отношению в окисленным примесям, что повышает качество воды. Далее вода направляется в катодную камеру, в которой регулируется рН воды и смещение окислительно-восстановительного потенциала до уровня, соответствующего внутренней среде организма человека. Дополнительная емкость, которая установлена на линии подвода воды между фильтром и входом в анодную камеру, заполнена пищевой гранулированной ионообменной Na-катионитовой смолой с обменной емкостью 3-6 г-экв. Это позволяет умягчить обрабатываемую воду, уменьшить в ней содержание солей жесткости, что значительно снижает вероятность образования нерастворимых гидроксидов металлов в катодной камере и тем самым повышает качество очистки воды. Использование смолы с более высокой степенью обменной емкости нецелесообразно, так указанного диапазона достаточно для получения стабильного результата.
3
В качестве катализатора может быть использован гранулированный активированный уголь из скорлупы кокосового ореха с добавлением серебра. Целесообразно использовать уголь с насыпной плотностью 480-550 г/дм, импергнированный серебром в количестве 0,06-0,3 мас.%. Эти характеристики являются оптимальными при обработке пресной воды, такой активированный уголь обладает не только повышенной каталитической активностью и более высокой сорбционной емкостью по отношению к примесям, но и оказывает дополнительное обеззараживающее и консервирующее действие за счет наличия в структуре гранул угля серебра, обладающего каталитической активностью и бактерицидными свойствами. Это позволяет существенно повысить качество воды. Кроме того, наличие серебра позволяет повысить срок службы устройства за счет того, что предотвращается развитие и рост биологических загрязнений, адсорбированных в порах активированного угля. Этот эффект особенно существенен при периодическом использовании устройства, так как режиме паузы увеличивается вероятность биологического обрастания.
В качестве фильтрующего материала в фильтре целесообразно использовать слои нетканого пропилена с пропускной способностью от 5 мкм. Число слоев, определяющих толщину фильтра, варьируется исходя из условий решаемой задачи - характеристик обрабатываемой воды. При стандартной толщине слоя 5 мм число слоев может составлять от 3 до 6. Это позволяет эффективно очистить воду от взвешенных примесей, исключить их влияние на гидравлику устройства и проведение электрохимического процесса, что позволяет обеспечить стабильное высокое качество обработанной воды.
На линии перетока дополнительно может быть размещен датчик протока обрабатываемой воды, установленный между дополнительной емкостью и входом в анодную камеру. Наличие такого датчика позволяет ввести средства контроля за общим количеством прошедшей обработку воды и своевременной замены выработавших свой ресурс элементов.
Устройство по данной полезной модели схематично показано на фиг. 1.
Устройство для электрохимической обработки воды содержит электрохимический реактор, схематично показанный на схеме одной электрохимической ячейкой 1, межэлектродное пространство которой разделено диафрагмой 2 на анодную 3 и катодную 4 камеры. Устройство содержит линию подачи обрабатываемой воды 5, которая соединена с входом анодной камеры 3. На линии 5 последовательно установлены фильтр 6 и дополнительная емкость 7, заполненная пищевой гранулированной ионообменной Na-катионитовой смолой. Выход анодной камеры 3 соединен линией перетока 8 с входом катодной камеры 4. На линии 8 установлена емкость 9 с катализатором - гранулированным активированным углем. Выход катодной камеры 4 соединен с линией 10 отвода обработанной воды.
Устройство работает следующим образом. Обрабатываемая вода, например водопроводная, по линии 5 поступает в фильтр 6, в котором производится очистка от взвешенных примесей и далее подается в емкость 7, заполненную пищевой гранулированной ионообменной Na-катионитовой смолой. В емкости 7 происхдит умягчение воды и удаление из нее катионов солей жесткости и замена их на катионы натрия. После емкости 7 вода поступает в анодную камеру 3 ячейки 1, в которой за счет образования окислителей, в основном активного хлора, осуществляется уничтожение микроорганизмов и окисление органических примесей. Из анодной камеры 3 вода поступает в емкость 9, заполненную катализатором - гранулированным активированным углем, на котором происходит разрушение остаточного активного хлора и сорбция окисленных органических примесей, после чего вода поступает в катодную камеру 4 ячейки 1, в которой регулируется рН и окислительно-восстановительный потенциал до значений, соответствующих значениям внутренней среды человека. Из катодной камеры 4 обработанная вода по линии 10 подается потребителю.
Форма конкретного выполнения элементов устройства выбирается в зависимости от условий решаемой задачи по счистке.
В качестве электрохимических ячеек были использованы ячейки, выполненные из вертикальных коаксиальных стержневого и цилиндрического электродов, нижней и верхней диэлектрических втулок, керамической диафрагмы, коаксиально размещенной между электродами и разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры, причем в нижней и верхней втулках для подвода и отвода обрабатываемой среды в камеру цилиндрического электрода выполнены каналы, снабженные штуцерами, на торцах верхней и нижней втулок закреплены верхняя и нижняя коллекторные головки, установленные с возможностью поворота, в нижней и верхней головках соответственно для подвода и отвода обрабатываемой среды в камеру стержневого электрода выполнены каналы, снабженные штуцерами, и ячейка также содержит приспособление для фиксации головок, а штуцера втулок и головок соединены с приспособлениями для подачи и отвода обрабатываемой среды. Ячейки выполнены в соответствии с патентом РФ №2078737, C02F 1/461, 26.05.94 г.
3
Существенным также является ресурс работы, который определяет количественные показатели используемого фильтрующего материала, количеств активированного угля и ионообменной смолы. В устройстве были использованы съемные вертикальные цилиндрические емкости вместимостью 1,36 л каждая. В одной из них установлен вертикальный трехслойный фильтр из нетканого полипропилена, с подачей обрабатываемой воды в центр емкости и фильтрацией ее от центра к периферии. Толщина одного слоя полипропилена составляла 5 мм. Емкость с катализатором была заполнена активированным углем из скорлупы кокоса с насыпной плотностью 500 г/дм, импрегнированным серебром в количестве 0,1 мас.%. Емкость с ионообменной смолой содержала гранулированную пищевую Na-катионитовую смолу с обменной емкостью 4 г-экв.
Ресурс работы фильтра составлял 10000 л, или 6 месяцев, ресурс работы катализатора составлял 8000 л, но не более 6 месяцев, ресурс работы пищевой ионообменной смолы - 8000 л, но не более 6 месяцев. В зависимости от того, что наступит ранее - объем обработанной воды или время работы, элементы заменяются однотипными, а отработанные направляются на регенерацию.
Производительность устройства составляла 50-60 л/ч.
Обработанная вода соответствовала нормам, установленным законодательством РФ. Значение рН - 6.9-7.1, общая минерализация - порядка 400 мг/л, общая жесткость - не более 5 мг-экв/л, общее число бактерий в 1 мл - менее 50, количество бактерий кишечной палочки - отсутствие, количество взвешенных веществ - отсутствие. Указанные характеристики не изменялись за все время работы устройства в течение времени проведения эксперимента при обработке 6000 л исходной воды.
Как следует из приведенных данных, при использовании данной полезной модели, обеспечивается повышение качества обработки воды при поддержании постоянства характеристик качества обрабатываемой воды.