УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

Область техники
Изобретение относится к химической технологии, в частности, к устройствам для электрохимической обработки воды и водных растворов солей, и может быть использовано для дезинфекции питьевой и технической воды.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для электрохимической обработки воды, которое содержит по меньшей мере одну электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов, установленных в диэлектрических втулках, ультрафильтрационную диафрагму из пористой керамики на основе оксида циркония, коаксиально установленную между электродами цилиндрической формы, причем внутренний стержневой электрод (анод) выполнен из титана с нанесенным на него оксидно-рутениевым покрытием, а наружный, цилиндрический (катод) выполнен из титановой
трубки, ячейки особым образом закреплены в нижнем и верхнем коллекторах из диэлектрического материала с подводящими и отводящими каналами в камеры, причем ячейки, установленные в коллекторах, соединены параллельно гидравлически и параллельно или последовательно-параллельно электрически (RU №2078737 от 10.05.1997, кл. С 02 F 1/46).
Недостаток аналога заключается в том, что процесс обработки воды в подобных устройствах (например, «Изумруд» на основе электрохимического реактора типа ПЭМ-3) связан с необходимостью частых остановок из-за засаливания диафрагмы и поверхности катода солями жесткости, что требует проведения сравнительно частых кислотных промывок внутренних коммуникаций электрохимических ячеек. Удлинение времени работы таких устройств без кислотных промывок приводит к снижению эффективности их функционирования.
Известно, принятое нами в качестве прототипа, устройство с подводящими и отводящими трубопроводами и электродным блоком, имеющим титановые аноды и катоды с оксидно-рутениевым покрытием, предназначенное для осуществления процесса электролиза в среде (RU №2139956, кл. С 25 В 1/26, С 01 В 11/06 от 20.10.1999).
2
Недостаток прототипа заключается в низкой удельной производительности по активному хлору (~10% от удельной производительности аналога) и высоких материальных затратах (~20-кратных) на изготовление электродов и их покрытие слоем дорогого оксида рутения (в аналоге защитное покрытие имеет только анод). Сравнительно низкая удельная производительность прототипа обусловлена низкой химической стойкостью оксидно-рутениевого покрытия поверхности катода при повышение электрохимической нагрузки до 15-20 А/дм (что соответствует оптимальной нагрузке на поверхности анода), оксидно-рутениевое покрытие поверхности катода теряет свою целостность и качество адгезии, а следовательно, и
возможность реверсирования тока (см. с.208 монографии Л.М.Якименко «Электродные материалы в прикладной электрохимии», М. Изд.: «Химия», 1997).
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства для обеззараживания воды в том числе с повышенным содержанием солей жесткости без необходимости регенерации электродов и проведения частых кислотных промывок.
Решение поставленной задачи достигается тем, что установка для получения растворов гипохлоритов электролизом содержит корпус с подводящими и отводящими трубопроводами, газоотводную трубу, по меньшей мере, один электродный блок, имеющий, выполненные в виде плоских полированных пластин, установленных в параллельных плоскостях на расстоянии, выбранном из условий оптимальных режимов электролиза и скорости воды, обеспечивающей смыв отложений на электродах, титановые катоды и титановые аноды с защитным покрытием, в нижних и верхних частях корпуса выполнены каналы для подвода обрабатываемой воды к электродным блокам и отвода от них обработанной воды, а нижние и верхние стенки полированных пластин выполнены криволинейными из условия их плавного обтекания потоком воды.
Расстояние между анодом и катодом выбирается в диапазоне 1-2 мм при скорости потока воды в межэлектродном пространстве не менее 0,35 м/с.
Экспериментально установлено, что при расположение анода и катода параллельно один другому на расстояний 1-2 мм один от другого, при наличии у катода зеркальной поверхности и отсутствия не ней визуально обнаруживаемых царапин и следов абразива, при сохранении значений скорости обрабатываемой воды в зазоре между катодом и анодом не менее 0,35 м/с, на поверхности катода соли жесткости, хотя и сорбируются, но тут же смываются
потоками воды, и могут быть обнаружены уже за пределами электродного блока с помощью механического или гравитационного фильтров.
Электроды, располагаемые в электродных камерах корпуса, могут быть как монополярными, так и биполярными. Электрохимические устройства для обеззараживания питьевой и технической воды могут собираться из отдельных электродных камер, каждая из которых имеет, по меньшей мере, один катод и один анод, зафиксированых на сдвоенном электродержателе, выполненном из эластичного диэлектрического материала, как показано на фиг.1. Количество электродных ячеек, объединяемых в одном устройстве для обеззараживания питьевой воды, обуславливается требуемой производительностью установки.
Например, установка, состоящая из одной электродной пары (фиг.1) с шириной электрода 5,0 см, при фиксированном зазоре между электродами равным 0,10 см и установленной линейной скорости обрабатываемой воды в межэлектродном зазоре равной 40 см/с имеет производительность:
2
Q=40 см/с×0,5 см×3600с=72 л/час.
Следовательно, если требуется устройство для обеззараживания питьевой или технической воды производительностью приблизительно 300 л/ч, оно может быть либо изготовлено (собранно) из пяти моноэлектродных элементов по фиг.1, либо использовано заранее подготовленное изделие (устройство), показанное на фиг.2, но при этом любое из них должно включать в себя пять электродов, причем два анода и один катод, контактирующий с обрабатываемым раствором (водой) с обеих сторон. Электроды должны иметь соответственно подготовленные поверхности на обеих их сторонах, а два катода, располагаемые по краям электродной ячейки и контактирующие с обрабатываемым раствором (водой) только одной стороной, обращенной внутрь электродной камеры, могут иметь соответственно обработанную (полированную) поверхность только с одной стороны.
Нижние и верхние стенки полированных пластин выполнены криволинейными из условия их плавного обтекания потоком воды. Характер кривизны каждой пластины определяется гидравлическим расчетом или экспериментально, исходя из оптимальных значений коэффициентов расходов (минимальных потерь напора) потока.
Любое электрохимическое устройство для обеззараживания питьевой воды, изготовленное и собранное из отдельных электродов (как показано на фиг.1) или изготовленное в отдельном корпусе (как показано на фиг.2), должно содержать: N анодов с двухсторонним оксидно-рутениевым или другим не разрушаемым покрытием; (N+1) катодов, причем (N-1) должны иметь двухсторонние полированные поверхности, а две - односторонние.
Количество электрохимических камер установки, в которых производится обработка воды, при этом составляет 2N, причем это количество определяется как требуемой производительностью, так и электротехническими возможностями (схемой соединения электродов между собой и допустимой мощностью электропотребления).
Краткое описание фигур чертежей и осуществление изобретения Блок-схема предлагаемого устройства для обеззараживания питьевой воды, содержащая обвязку единичной электрохимической ячейки, включающей два электродных блока, катодный и анодный, совмещенных между собой по линии А-В, как это представлено на фиг.1. Вариант выполнения устройства, содержащего четыре электрохимических ячейки и выполненных,в едином технологическом (электрохимическом) устройстве, представлен на фиг.2.
Устройство для обеззараживания питьевой воды (фиг.1, фиг.2.) содержит линию подачи обрабатываемой воды, на которой расположены: отсечной кран
1, регулирующий вентиль 2, индикатор расхода 3, линию подачи обрабатываемой воды 4 в распределительный канал 5, из которого обрабатываемая вода самотеком направляется в электрохимические камеры (катодную 6 и анодную 7), причем линейная скорость протекания воды у электродов должна быть приблизительно одинаковой (что обеспечивается конструкцией электродного блока и характером кривизны торцовых стенок электродов) и при этом должна составлять величину не менее 0,35 м/с.
На выходе из межэлектродных камер обработанная вода попадает в уравнительный канал 8, из которого через выходной штуцер направляется в линию обработанной воды 9 - линию готового продукта.
Корпус с подводящими и отводящими трубопроводами и газоотводную трубу, выполняют, как в прототипе. В корпусе размещены, по меньшей мере, один электродный блок, имеющий, выполненные в виде плоских полированных пластин, установленных в параллельных плоскостях на расстоянии, выбранном из условий оптимальных режимов электролиза и скорости воды, обеспечивающей смыв отложений на электродах, титановые катоды и титановые аноды с защитным покрытием, в нижних и верхних частях корпуса выполнены каналы для подвода обрабатываемой воды к электродным блокам и отвода от них обработанной воды, а нижние и верхние стенки полированных пластин выполнены криволинейными из условия их плавного обтекания потоком воды.
Дополнительная фильтрация обработанной воды (если таковая потребуется), так же, как и конфигурация диэлектрических перегородок, устанавливаемых между отдельно собранными электродными камерами, не является предметом настоящего изобретения. Эти элементы являются неотъемлемыми частями любого электрохимического устройства и поэтому не нашли достаточного отражения в настоящем описании.
Электрохимической обработке подвергается вода (питьевая или техническая), содержащая то или иное количество растворенных солей и в том числе солей жесткости. При электролизе часть из этих солей осаждается на катоде 6, однако адгезия таких отложений на полированной поверхности, обтекаемой потоками обрабатываемой воды, - низкая и поэтому осадок смывается водой, что фактически полностью компенсирует кислотную промывку, необходимую в устройстве аналога, или реверс полярности электродов, как это производится у прототипа. Глубина требуемых электрохимических преобразований в составе обрабатываемой воды определяется при постановке задачи у потребителя и реализуется путем простой подстройки электрических параметров при пуско-наладочных работах по месту эксплуатации устройства для очистки и дезинфекции воды.
кон
нач
4
4
3
3
3
+
+
2+
2+
2+
2-
2-
-
-
2-
Значение рН обрабатываемой воды, протекающей через электродную камеру, увеличивается на (0,2-0,3) единиц, т.е. рН≤(рН+0,3), что является допустимым в соответствии с нормативной документацией (Сан.Пин. 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода») и не требует дополнительной регулировки. Обрабатываемая (питьевая) вода содержит ионы: Na, К, Са, Mg, Fe, Cl , SO , NO , НСО , СО  и другие. Содержание этих ионов колеблется в зависимости от источника воды, но общее их количество в питьевой воде достаточно для того, чтобы можно было проводить ее электрохимическую активацию, а целью обеззараживания воды от возможного появления в ее составе многих органических загрязнителей, а также дезинфекции от тех или иных микроорганизмов (в том числе патогенных) путем пропускания обрабатываемой воды через электрическое поле высокой напряженности межэлектродного пространства (позиции 6 и 7), в котором, благодаря акцептированию активных реагентов - гидратированных электронов, при этом образуются сильнодействующие оксиданты, такие как Cl· и О· и другие, способствующие уничтожению (окислению, в том числе, глубокому
деструктивному окислению) многих молекул сложных органических веществ, в том числе циклического и гетероциклического строения с переводом их в более простые соединения.
Так, например, деструкция фенолов в межэлектродном пространстве может протекать вплоть до превращения их в углекислый газ и воду:
6
5
2
2
С Н ОН + 140→6 CO + 3НО.
при этом атомарный кислород О образуется в межэлектродном пространстве за счет протекания реакции окисления-востановления в водной среде под действием электрического тока:
+
-
+
-
NaCl←→Na + Сl, Na + е→ Na°
2
2
+
-
2Na° + 2 НO→2 Na + 2 ОН + H↑
-
+
-
С1 - 1е- → Сl°, 2Сl° → Сl + Сl
+
-
Сl + ОН → НОСl
НОСl→НСl+O·
-
+
Cl+Na→NaCl
3
2
3
2
2
-
Са(НСО) + 2е →↓ СаСО + HO + СO↑(на катоде).
2
2
-
+
-
-
Аналогичные процессы протекают при попадании других органических веществ в межэлектродное пространство установки для обеззараживания воды. Обработанная вода не содержит болезнетворных микроорганизмов, токсичных органических соединений, а также хлора и запахов. Очистка воды основана на использовании электролитического анодного окисления (НО - е → H + ОН), электролитического катодного восстановления (НО + е→ Н + ОН) и направленного электромиграционного переноса, благодаря которым разрушаются многие токсичные органические вещества.
В таблице 1 представлены сравнительные результаты обеззараживания (очистки от органических загрязнителей) воды с помощью
электрохимических устройств аналога и предлагаемого изобретения при одинаковых удельных токовых нагрузках по обрабатываемой специально загрязненной воде.
Таблица 1
№№п/п
Наименованиезагрязнителей(ПДК-Сан.Пин.-2.1.4.559-96)
НачальнаяконцентрациязагрязнителейСО, мг/л
Конечная концентрациязагрязнителей, полученная спомощью:
Устройствоаналога
ПредлагаемоеУстройство
C<sub>кон</sub>МГ/Л
C<sub>кон</sub>/Со
С<sub>кон</sub>Мг/л
С<sub>кон</sub>/Со
1.
Фенол(ПДК=1.10-3 мг/л)
18.10-3 70.10-3
0,57·1031,7·10-3
0,032 0,024
0,62·10-3 1,6·10-3
0,034 0,023
2.
Нафтол-2(ПДК=0,4 мг/л)
4,520
0,060,7
0,0130,035
0,070,65
0,0150,032
3.
Дифениламин (ПДК=0,05 мг/л)
1,00,5
0,060,02
0,06 0,02
0,060,025
0,06 0,05
Приведенная сравнительная гигиеническая оценка качества контрольной и обработанной питьевой воды с помощью устройства для обеззараживания питьевой воды по санитарно-бактериологическим и физико-химическим показателям Сан.Пин 2.1.4.1074-01, показала следующие результаты:
1. Поддержание концентрации оксиданта в емкости с сохраняемой питьевой водой на уровне 0,3-0,5 мг/л с помощью предлагаемого устройства путем периодического прокачивания через него сохраняемой воды, обеспечило качество воды в соответствии с требованиями (Сан.Пин 2.1.4.1074-01 «Вода питьевая») в течение одного месяца при еженедельном отборе проб на анализ. Хранение водопроводной воды, не подвергнутой такой обработке, приводило к размножению микроорганизмов, в том числе и условно патогенных (например, Pseudomonas aeruginoza-синегнойной палочки).
2. Водородный показатель (рН) в процессе электрохимической обработки питьевой воды незначительно смещался в щелочную сторону, не превышая при этом гигиенического норматива Сан.Пин.2.1.4.1074-01 «Вода питьевая».
3. По интегральным показателям органического загрязнения исследованные пробы обработанной воды характеризовались некоторым увеличением содержания легко окисляемых веществ (по перманганатной окисляемости) примерно на 20%, но не превышали гигиенического норматива.
4. Благодаря использованию в заявленном предложении полированных пластин в качестве электродов, имеет место смывание потоком воды откладываемых на них наносов, что удлиняет сроки профилактики.
5. Дополнительными техническими результатами заявленного предложения является его экономичность, благодаря меньшим гидравлическим потерям, из-за выполнения криволинейных элементов электродов, обеспечивающих благоприятные гидравлические режимы работы, при отсутствии застойных зон, а также использованию в качестве катодов титановых пластин без дорогостоящего защитного покрытия даже при обработке жестких водных систем.