СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО
METHOD OF ELECTRO-CHEMICAL PROCESSING OF WATER AND DEVICE

Изобретение относится к способам электрохимической обработки воды. Оно может быть использовано для обработки питьевой воды, бытовых и промышленных сточных вод, воды плавательных бассейнов.
Техническим результатом изобретения является возможность безреагентного (без добавления химических реагентов) управления свойствами воды с низким содержанием хлоридов 0,1÷20 мг/л, приводя к непосредственной дезинфекции.
Известен способ обработки воды гипохлоритом натрия, реализованный в RU 2100483 от 19.02.1996, в котором дезинфектант производится на месте потребления путем прямого электролиза подземной минерализованной воды с содержанием хлорида натрия от 1,5 до 15 г/л. Недостатком этого технического решения является невозможность применения воды с содержанием хлорида натрия менее 1,5 г/л.
Так же известен способ получения сверхчистой питьевой воды, включающий синтез озона из воздуха и пропускание его через слой обрабатываемой воды, реализованный в RU 2114790 от 17.04.1998, в котором регулируется плотность тока в электролизере в зависимости от концентрации веществ в воде и изменения полярности электродов. Он имеют один существенный недостаток: синтез озона из воздуха, что существенно уменьшает безопасность применения этого способа.
Известно устройство для электролиза, реализованное в RU 2139956 от 04.06.1997 в котором применяются титановые аноды и катоды с оксидно-рутениевым покрытием с реверсированием тока. Устройство резко ограничивает продолжительность ресурса электролизера так как смена полярности сокращает срок службы электродов.
Наиболее близким техническим решением является установка типа «Поток» производства завода «Коммунальник» для обеззараживания воды прямым электролизом, представленная в Пособии к СНиП 2.04.02-84. Недостатком Установки типа «Поток» является отсутствие возможности обеззараживания природных вод при содержании хлоридов менее 20 мг/л.
Также из BG 66016 B1 от 29.10.2009 известен способ проведения электролиза и устройство для его проведения, который предусматривает использование групп электродов ЕК1 - EKn, электрически соединенных с источником питания (1), каждая из которых содержит, по меньшей мере, одну пару разноименно заряженных электродов, при этом, в процессе электролиза осуществляют коммутацию электрической цепи через блок коммутации (3), обеспечивающую поочередное подключение к источнику питания и отключение от него групп электродов. Согласно примеру осуществления известного способа частоту и продолжительность подключения источника питания к группам электродов определяет блок управления (5), который отслеживает мощность постоянного тока, подаваемого на группы электродов (стр.3, зона 30 - справа). Таким образом, в BG 66016 В1 используют принцип отключения электропитания и последующего включения для поддержания необходимой силы постоянного тока на группах электродов без изменения полярности.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание способа обработки воды и устройство для осуществления способа, в которых для дезинфекции воды можно было бы использовать воду с небольшим количеством хлоридов для удешевления технологии обработки воды при обеспечении экологической безопасности, а так же устранение образующихся отложений солей жесткости на электродах электролизных устройств при значительном увеличении ресурса работы электролизных устройств.
2
3
2
2
-
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что для получения дезинфектантов - гидроксильный радикал (ОН), атомарный кислород (О), кислород (O), озон (О), перекись водорода (HO), радикалы хлора (хлорноватистая кислота HClO и гипохлорит-ион ClO) путем прямого электролиза в проточном режиме используют обрабатываемую воду, содержащую 0,1÷20 мг/л хлорида натрия. При этом межэлектродное расстояние составляет менее 1 мм. Причем между моментом отключения электропитания и моментом включения с противоположной полярностью присутствует пауза от нескольких секунд до нескольких часов.
Переполяризация применяется для удаления отложений солей жесткости на поверхности электродов. Пауза между периодами действия питания устройства, позволяет устранить отрицательное влияние переходных процессов на активное металлооксидное покрытие электродов и продлевает жизнь покрытия в режиме переполяризации в 3-5 раз.
-
2
2
3
2
2
Авторами было теоретически обнаружено и экспериментально подтверждено, что электролиз воды с небольшим количеством хлоридов (0,1÷20 мг/л) активирует не только растворенную в питьевой воде соль с получением радикалов хлора (хлорноватистая кислота HClO и гипохлорит-ион ClO), но и кислородные связи в эффективную дезинфекцию. Процесс обеспечивает расщепление молекул воды (HO) на несколько мощных нетоксичных окислителей - свободных радикалов (O, O, O, ОН, HO), каждый из которых обладает гораздо большим окислительным потенциалом, чем хлор. Радикалы мощно укрепляют друг друга, и действуют одновременно в бактериологическом, физическом и органическом отношении.
2
2
3
На фиг.1 изображены результаты эксперимента по получению свободного хлора Cl и кислорода O путем прямого электролиза обрабатываемой воды в проточном режиме со скоростью 200 м/ч устройством мощностью 6 кВт.
2
2
Из графика видно, что при прямом электролизе воды с содержанием хлоридов менее 20 мг/л происходит образование в основном кислорода O, а в воде с содержанием хлоридов более 20 мг/л преобладают реакции с образованием растворенного хлора Cl.
В таблице 1 приведены показатели анализов исходной и обработанной методом прямого электролиза воды в проточном режиме северо-западной части Краснодарского края.
Таблица 1
Показатели качества воды
Ед. изм.
Норматив
Исходная вода
Обработанная вода
Запах
20<sup>0</sup>
балл
2
3
0
60<sup>0</sup>
балл
2
3
0
Привкус
балл
2
3
0
Цветность
град
20
51,3
12
Мутность
мг/дм<sup>3</sup>
1,5
2,5
<1,0
Окисляемость перманганатная
мг О<sub>2</sub>/дм<sup>3</sup>
5,0
7,2
0,54
Железо (общее)
мг/дм<sup>3</sup>
0,3
0,28
0,2
Аммоний-ион, аммиак
мг/дм<sup>3</sup>
1,5
2,35
0,01
Нитрат-ион
мг/дм<sup>3</sup>
45,0
0,604
0,5
Нитрит-ион
мг/дм<sup>3</sup>
3,0
0,016
0,003
Сероводород
мг/дм<sup>3</sup>
0,003
1,2
0
Сульфаты
мг/дм<sup>3</sup>
500,0
489
485,1
Хлориды
мг/дм<sup>3</sup>
350,0
17
6
Хлор остаточный свободный
мг/дм<sup>3</sup>
0,3-0,5
0
0,34
Хлор остаточный связванный
мг/дм
0,8-1,2
0
0,5
Кислород
мг/дм<sup>3</sup>
-
5
9
Как видно из таблицы, получаемые в процессе прямого электролиза, дезинфектанты не только уничтожают органику - споры, вирусы, бактерии и другие микроорганизмы, что гарантируется наличием остаточного хлора, обеспечивая при этом чистую, питьевого качества воду, но и оказывают влияние на содержание растворенного железа, аммиака и сероводорода.
В процессе прямого электролиза синтезируется ряд окислителей, при этом происходят следующие реакции:
Удаление железа
Двухвалентное железо окисляется электролизным кислородом до гидроксида трехвалентного железа.
2+
-
2
2
3
4Fe+О+8OH+2HO→4Fe(ОН)
Удаление аммиака
Аммиак окисляется электролизным озоном до нитрата.
3
3
3
2
3
-
+
NH+4O→NO +4O+HO
Удаление сероводорода
Сероводород окисляется электролизной перекисью водорода до коллоидной серы.
2
2
2
2
H
O
HS+→S+2HO
В упрощенном виде процессы образования дезинфектантов из пресной воды заключаются в следующем.
При электролизе воды происходит выделение кислорода и озона:
2H
O
2
2
2
3
+
-
-
+
→O+4H+4е; 3HO→О+6е+6H
Растворяясь в воде, кислород может образовывать перекись водорода:
2
2
2
2
2H
O
-
-
O++2е→HO+2OH
В воде даже с очень низким содержанием хлоридов может быть получен хлор:
-
-
2
2Cl→Cl+2е
-
При гидролизе хлора образуется хлорноватистая кислота (HClO) и гипохлорит-ион (ClO):
2
2
Cl+HO→HClO+HCl;
Сумму концентраций хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона обычно называют свободным хлором.
Приведенные реакции окисления лишь небольшая часть сложных процессов и реакций, происходящих при электролизе воды. Но в конечном результате все они приводят к уменьшению концентрации указанных веществ до норм ПДК и, как следствие, удалению цветности и мутности.
Прямой электролиз отличается от распространенных методов обеззараживания тем, что сочетает в себе их положительные эффекты и не содержит их отрицательных свойств: обладает последействием и не создает побочные продукты.
Кислород, как наиболее сильный окислитель, преобладает в реакциях обеззараживания, а свободный хлор играет вторичную роль, и «выполнив миссию» пролонгированного действия, опять превращается в хлориды.
Таким образом, дезинфектанты производятся из самой воды и, выполнив свою функцию, переходят в прежнее состояние, не внося в воду побочных продуктов.
Из уровня техники (см. Медриш Г.Л., Тейшева А.А., Басин Д.Л. Обеззараживание природных и сточных вод с использованием электролиза, Москва, Стройиздат, 1982, стр.10) известно, что для создания малогабаритных и высокопроизводительных установок наиболее целесообразно предусматривать минимально возможные межэлектродные расстояния. Для существующего уровня исполнения устройств в 1982 году это было 3-6 мм. Чем меньше величина межэлектродных зазоров в электролизере, тем более энергетически эффективен процесс электролиза. При современном существующем уровне высокотехнологического исполнения устройства межэлектродный зазор менее 1 мм может быть достигнут без опасности соприкосновения поверхностей электродов. Например, электролизеры производства ООО «НПФ «Невский кристалл» имеют межэлектродное расстояние 0,9 мм и успешно эксплуатируются во многих регионах России и странах СНГ.
На фиг.2 изображены результаты эксперимента по изучению ресурса покрытий электродов при работе с паузами и без паузы между периодами действия питания электролизера.
Резкое увеличение напряжения на электролизной ячейке свидетельствует о полном срабатывании активного покрытия и исчерпании ресурса электрода. Среди исследованных электродов самый короткий ресурс в шесть месяцев оказался у электродов, работающих без паузы. Электроды, работающие с паузой, продемонстрировали срок службы более 2 лет. При этом образования отложений солей жесткости на электродах устранялись при их переполюсовке, и зарастания межэлектродного пространства осадком не происходило за все время эксперимента.
Приведенный пример свидетельствует, что в случае применения предлагаемого технического решения удается произвести достаточное количество дезинфектантов из небольшого количества естественных минеральных солей, которые присутствуют в любом источнике пресной воды.
Из приведенного описания понятно, что предлагаемое изобретение может быть реализовано и в других конкретных формах без отступления от существа изобретения, определенного ее формулой.