СПОСОБ И УСТРОЙСТВО НАСЫЩЕНИЯ ЖИДКОСТИ ГАЗОМ
METHOD AND DEVICE FOR SATURATING LIQUID WITH GAS

Изобретение относится к способам и устройствам насыщения кислородом или водородом природных, сточных вод и промышленных растворов. Жидкость, насыщенная кислородом, предназначена для использования в аэрационных процессах и сооружениях различных технологий, а также при химической и биохимической очистке бытовых и промышленных сточных вод в различных отраслях промышленности.
Аэрационные процессы играют важную роль при подготовке питьевой воды, очистке сточных вод и, являясь базисным процессом многих технологий, в значительной мере влияют на эффективность, надежность и стоимость последних.
Существующие способы аэрации основаны на принципах диспергации воды в воздухе или воздуха в воде и осуществляются при помощи аэраторов барботажного, разбрызгивающего и каскадного типов.
Недостатками существующих способов аэрации являются слаборазвитая поверхность раздела фаз, ведущая к замедлению массообменных процессов в системе «вода-воздух», либо использование отверстий малого диаметра, требующих решения проблем их обрастания и заиливания.
Существует множество устройств для аэрации жидкостей, описанных в патентной литературе. Известно устройство для аэрации жидкости, содержащее приемную камеру, в которой размещена вертикальная стенка аэрации с отверстиями, аэрируемая жидкость направляется на указанную стенку. Верхняя часть основной колонны вертикального падающего потока предназначена для приема жидкости, поступающей через отверстия под действием силы тяжести, проходя через атмосферный воздух.
Основная колонна восходящего потока имеет размеры поперечного сечения больше размеров колонны падающего потока и расположена вокруг этой колонны. Верхняя часть колонны содержит средства вывода жидкости.
Нижние части обеих колонн сообщаются между собой (см. FR №2363367, 1978. 05.05, В01F 5/00, 3/04 - аналог).
Известно устройство для аэрации жидкости. Оно относится к устройствам для насыщения жидкости кислородом воздуха и ее перемешивания, то есть к механическим аэраторам, предназначенным для использования в аэрационных сооружениях при биохимической очистке бытовых и промышленных сточных вод, и может быть применено в различных отраслях промышленности.
Устройство для аэрации жидкости содержит ротор, выполненный полым и имеющий форму однополостного гиперболоида, обращенного вершиной вниз. При этом внешняя и внутренняя поверхности ротора снабжены спиралеобразными лопастями. Технический результат - интенсификация процесса аэрации жидкости за счет увеличения площади контакта жидкой и газовой фаз, которая обеспечивается при повышении равномерного распределения жидкости по сечению факела и при увеличении однородности и дисперсности распыла жидкости (см. RU №2147295, 2000, 04.10, C02F 3/14 - аналог).
Недостатками известных аэраторов является сложность конструкции, повышенная металлоемкость и низкая производительность.
Известный способ аэрации основан на искусственном дроблении и измельчении воздуха в воде или жидкости.
Задачей изобретения является насыщение жидкости кислородом или водородом в условиях естественного процесса образования газов при атмосферном давлении.
Данная цель достигается насыщением жидких систем кислородом или водородом электролизом, при котором насыщение жидкости электролизными газами происходит на атомно-молекулярном уровне в момент их образования.
2
Известен способ (прототип) очистки сточных вод от органических примесей, включающий электролитическую обработку, отличающуюся тем, что с целью повышения степени очистки стоки обрабатывают в электролизере с чередующимися растворимыми и нерастворимыми пластинчатыми электродами при скорости потока 0.2-150 м/ч, напряженности электрического поля 1.5-5 В/см и величине анодного потенциала 0,2-1,2 В. Обработку стоков осуществляют при плотности тока 0,002-0,05 А/см и объемной плотности тока 1-100А/Л (SU №600093, 1978.03.30, С02С 5/12).
Известна электролизная ячейка (прототип) без диафрагмы, состоящая из горизонтальных и параллельно последовательно один за другим расположенных анодов и катодов, отличающаяся тем, что электроды выполнены с отверстиями, причем все аноды и катоды связаны между собой (ДЕ №2305589, 1980. 01.30, С25В 9/00, 1/26).
Известна электролизная ячейка (прототип), используемая для обработки воды, содержащей хлор-ион, которая содержит катод, выполненный в виде трубы, внутри которой расположен трубчатый анод. Катод может быть выполнен из коррозионно-стойкого материала, например титана, некоторых видов нержавеющей стали. В качестве конструкционного материала для анода применяется платина.
При движении воды через электролизную ячейку, в пространстве между электродами под действием электрического тока происходит образование хлор газа, который используется для обеззараживания воды (US №3718540, 1973.02.27).
В электролизерах известных конструкций электролизные газы - кислород и водород - образуются в эквивалентных количествах, поэтому они не могут быть использованы в качестве аэраторов.
Новый способ насыщения жидкости газом осуществляется в электролизере, отличающемся от устройств известных конструкций. Предлагаемое устройство имеет прямоугольный или цилиндрический корпус, патрубки входа и выхода жидкой фазы, рабочий электрод, выполненный в виде пластин или цилиндров, равномерно расположенных внутри корпуса по всему объему, вспомогательный электрод в виде металлического стержня. Основной рабочий электрод выполнен из единого перфорированного или сетчатого металла с развитой поверхностью в 1-2 или более слоев электродной сетки, скрепленных зажимами из электропроводного материала, вспомогательный электрод - металлический стержень с зажимами из изоляционного материала.
Пластинчатые электроды помещены в прямоугольный корпус, цилиндрические электроды - в корпус колонного типа.
Стержневые электроды равномерно расположены по всему объему устройства, внутри каждого цилиндра и вне его.
Вода или жидкость поступает в нижнюю часть электролизера, движется вверх и выходит из выходного патрубка.
Развитая поверхность рабочего электрода контактирует со всей жидкой фазой, процесс сопровождается бурным образованием электролизного газа и насыщением жидкости.
На стержневых электродах, ввиду малой поверхности и высокого перенапряжения, газы выделяются с малой скоростью в незначительных количествах, чтобы предотвратить попадание газа, выделяющегося на стержневых электродах, в раствор; поверхность их покрывают диафрагмой.
Для получения на рабочем электроде кислорода и насыщения им жидкой фазы рабочий электрод подключается к положительному полюсу источника тока, а стержневой электрод - к отрицательному. Для насыщения жидкой фазы водородом рабочий электрод подключается к отрицательному полюсу источника тока, стержневой электрод - к положительному полюсу.
Электролиз проводится при напряжении 3-10В и более, силе тока 0.1-10А/Л и более.
Параметры электролиза определяются конструкцией и производительностью электролизера и необходимой скоростью насыщения жидкости электролизным газом.
Элементами новизны изобретения являются:
- новый способ насыщения газом жидких систем;
- конструкция электролизера, позволяющего получать электролизом воды один электролизный газ - кислород или водород;
- выполнение рабочего электрода с развитой поверхностью, которая повышает контакт жидкой и газовой фаз и способствует насыщению жидкой фазы электролизным газом;
- равномерное размещение в электролизере стержневых электродов с диафрагмой или без нее с высоким перенапряжением по водороду при аэрации кислорода;
- ведение электролиза при низком напряжении 3-10В и более и объемной плотности тока 0.1-10А/Л и более в зависимости от производительности электролизера.
Предлагаемое изобретение решает вопросы создания и промышленного внедрения высокопроизводительного способа и устройства насыщения газом жидких систем.
На чертеже представлена схема устройства насыщения газом жидкости, выполненного в виде колонны, состоящей из корпуса 1, в которую помещены рабочий электрод 2 с развитой электродной поверхностью, изготовленный из единого металла в виде сетчатых цилиндрических электродов, сложенных в два слоя, стержневые электроды 3. Они могут быть выполнены с диафрагмой или без нее. Корпус имеет патрубки входа 5 и выхода 4 жидкой фазы, крепление электродов 6. Питание цилиндрических электродов электротоком проводят через позицию 7, стержневых электродов 8. Выход газов при электролизе проводят через воздушник 9.
Пример.
Экспериментально проведено сравнение процессов насыщения жидкости воздухом и электролизными газами на примере окисления кислородом раствора сульфата двухвалентного железа с содержанием железа 2 г/л.
Химическое окисление проводилось в стакане объемом 1 л. Раствор сульфата железа барботировался воздухом при температуре 20°С и расходе воздуха 24.4 л/мин
Из опытов оказалось, что для окисления сульфата железа на 95% требуется 240 мин. Исходный рН=5.0, конечный рН=3.0.
3
3
Электрохимическое окисление раствора сульфата железа проводилось в электролизере с полезным объемом 1 л с двумя цилиндрическими электродами диаметром 95 мм и 30 мм, выполненными из единого сетчатого материала из нержавеющей стали марки 12×18Н10Т высотой 165 мм. В электролизере установлены 5 стержневых электродов диаметром 5 мм, один по центру, 4 - между цилиндрическими электродами высотой 165 мм. Электролиз проводился в статических условиях при температуре 20°С, напряжении 4 В, силе тока 1,2А, с отбором пробы через 5 минут и 10 минут, расходе электроэнергии 0.4 Вт·ч/л и 0,8 Вт·ч/л или 0.4 кВт·ч/м или 0,8 кВт·ч/м. Исходный рН=5.0, конечный рН=5.2.
Таблица 1
Характеристика окисления сульфата железа (II) химическим и электрохимическим способами
Процесс окисления
Продолжительность, мин
Концентрация железа (II),г/л
Окислено железа (II)
исходная
конечная
Мг/л в мин
Во сколько раз больше
Химический
240
2
0.1
7.9
Электрохимический
5
2
1.2
160
20.1
10
Н/обн
200
25.3
Экспериментальные данные таблицы показывают, что электроокисление железа (II) в растворе сульфата железа (II) в 20-25 раз эффективнее химического окисления железа (II) кислородом воздуха. Следовательно, процесс аэрации жидкостей на атомно-молекулярном уровне в несколько десятков раз эффективнее процесса аэрации жидкостей воздухом.
По технологическим параметрам электролизера, приведенным в заявке, можно составить рабочую документацию для изготовления и испытания электролизера.
Электролиз речной воды.
Проведен электролиз речной воды в лабораторном электролизере полезным объемом 1 л с двумя цилиндрическими рабочими электродами диаметром 95 мм и 35 мм, выполненными из единого сетчатого материала из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т высотой 165 мм. В электролизере установлены 5 стержневых вспомогательных электродов диаметром 5 мм, высотой 165 мм, один - по центру, 4 - между цилиндрическими электродами.
Опыты по аэрации воды кислородом проводились в динамических условиях при различных расходах воды и различном напряжении.
Результаты опытов представлены в табл.2, 3, 4.
Таблица 2
Физические свойства речной воды
Речная вода
Ph
Щелочность, мг/л
Окисляемость, мг O<sub>2</sub>/л
Мутность, мг/л
Цветность, град.
исх
7.7
1.80
15.7
12.7
121
кон
6.7
0.38
3.2
0.0
0
Таблица 3
Химические свойства речной воды
Речная вода
Концентрация компонентов, мг/л
Жесткость, мг-экв/л
железо
алюминий
сульфат-ион
окись кремния
исх
0.60
0.17
15.5
2.0
2.3
кон
0.03
0.02
6.7
1.5
1.8
Таблица 4
Результаты аэрации кислородом речной воды
Производительность, л/ч
Напряжение, В
Сила тока, мА
Расход эл. энергии Вт ч/л
Концентрация кислорода, мг/л
7.80
3.8
125
0.061
4.8
4.80
4.0
138
0.115
8,6
5.00
9.0
525
0.945
31.3
3.75
9.0
525
1.260
41.8
7.50
9.0
525
0.630
21.0
Определение кислорода проводилось по методу Винклера иодометрическим способом. Концентрация кислорода в речной воде изменилась в зависимости от параметров электролиза - напряжения и силы тока - и от расхода речной воды.
При напряжении 4 В, силе тока 138 мА, расходе воды 4.8 л/ч концентрация кислорода равна 8.6 мг/л. Повышение напряжения до 9 В, силы тока 525 мА, концентрация кислорода повысилась при расходе воды 5 л/ч до 31.3 мг/л, при расходе воды 7.5 л/ч до 21.0 мг/л, при расходе воды 3.75 л/ч до 41.8 мг/л. Расход электроэнергии находится в пределах 0.061-1.200 Вт·ч/л.
2
Из описания патента SU 1261599 А1, 07.10.1986 известно, что при напряжении 4 В, плотности тока 70 А/м концентрация кислорода в воде равна 2.83-2.97 мг/л, что в 3-14 раз меньше концентрации кислорода в речной воде при электролизе заявленным способом. Расход электроэнергии по патенту равен на 7.5 мл воды 2.2 Вт·ч/л или 294 Вт·ч/л, что несопоставимо с расходом электроэнергии на электролиз речной воды заявленным способом.
Результаты экспериментальных данных электролиза речной воды заявленным способом убедительно показывают преимущества заявленного изобретения.
В процессе электролиза речной воды происходит очистка ее от загрязнений, которые в виде шламов поднимаются на поверхность воды, под воздействием кислорода шламы обезвоживаются, хорошо удерживаются на поверхности воды и не влияют на процесс электролиза речной воды.
Чистая аэрированная кислородом вода может быть применена для проведения многих технологических процессов.
Способ и устройство электролиза жидких систем по заявке рекомендуется для аэрации воды кислородом в рыбохозяйственных производственных установках и очистных сооружениях промышленного рыбоводства.
Предлагаемое изобретение решает вопросы замены малоэффективных способов аэрации водных систем высокоэффективным способом аэрации электролизом с полной автоматизацией процесса.
Новый способ позволяет исключить расход воздуха, сократить производственные площади, значительно снизить металлоемкость оборудования.