Устройство для деоксигенации воды в проточных системах

Полезная модель относится к устройствам для глубокой деоксигенации воды и может быть использована в процессах водоподготовки для технологий, требующих непрерывную подачу очищенной обескислороженной воды.
Известно устройство для электрохимической деоксигенации высокочистой воды [Патент РФ №2494947, 2012], включающее в себя мембранный электролизер, электроды которого покрыты слоями таких драгоценных металлов, как платина, палладий. Недостатком предложенного устройства является дороговизна и сложность изготовления каталитических электродов.
Известен метод одновременного обескислороживания и обессоливания воды с использованием фильтра с железогидрозакисным электроноионообменником и ионообменных фильтров смешанного действия [Вольф И.В. Подготовка воды для парогенераторов с помощью ионообменников / И.В. Вольф, А.В. Романов, М.А. Синякова // Журн. прикл. химии. - 2010. - Т. 83, Вып. 5. - С. 858-860.]. Недостатком этого метода является невысокая глубина обескислороживания.
+
-
В работе [Москвитин Б.А. Исследование работы электроноионообменных фильтров в замкнутых системах охлаждения / Б.А. Москвитин, И.О. Кибизов, В.В Ашанин // Труды ВНИИ "ВОДГЕО". - 1977. - Вып. 66. - С. 1-3.] описана очистная установка, состоящая из двух обескислороживающих и двух обессоливающих фильтров. Обескислороживающие фильтры загружены дисперсной медь-гидразиновой электроноионообменной смолой ЭО-11П. Обессоливающие фильтры загружены смесью катионообменника КУ-2 и анионообменника АВ-17 в Н - и ОН - формах. Недостатком данной установки является выделение азота в процессе восстановления кислорода.
В литературных данных приводится описание устройства, состоящего из системы сорбционно-химических фильтров с загрузкой зернистого нанокомпозита [патент на полезную модель РФ №134527, 2013]. Данное устройство состоит из внешней замкнутой системы, кислородомера, насоса, кранов и набора последовательно соединенных фильтров, в том числе механического, сорбционного, ионообменного фильтров смешанного действия, причем в наборе фильтров имеются три фильтра с насадкой зернистого нанокомпозита медь-ионообменник КУ-23 15/100, расположенные между ионообменными фильтрами смешанного действия. Недостаток предложенного устройства - невозможность использования в открытых проточных системах вследствие быстрого химического окисления металлического компонента сорбционных фильтров и необходимости последующей регенерации.
3
3
Наиболее близким к заявленному является устройство для глубокой деоксигенации воды [Патент на полезную модель РФ №105284, 2010], состоящее из ячейки, выполненной из полимерного материала, разделенной катионообменной мембраной на анодное и катодное отделения, пространство между катионообменной мембраной и платинированным титановым анодом в анодном отделении засыпано зернистым слоем сульфокатионообменника КУ-23, катодное отделение состоит из не менее двух гидравлически последовательно соединенных камер, каждая из которых имеет свою систему поляризации с медными катодами, пространство между катодами и катионообменной мембраной заполнено зернистым слоем медьсодержащего нанокомпозита емкостью по меди 5 ммоль/см и по ионам водорода 1 ммоль/см. Данное устройство было выбрано в качестве прототипа. Преимущество нового предложенного устройства состоит в снижении затрат за счет замены драгоценных металлов на технические, простоты изготовления и эксплуатации, использования последовательных блоков -электрохимического и химического.
Задача, решаемая настоящей полезной моделью, заключается в создании высокоэффективного обескислороживающего устройства, предназначенного для глубокой деоксигенации воды в проточной системе.
Техническим результатом настоящей полезной модели является расширение арсенала устройств, предназначенных для непрерывной глубокой деоксигенации воды в проточной системе до уровня кислорода менее 3 мкг/л (ppb), т.е. удаление кислорода не менее чем на 99,96% без применения драгоценных металлов.
+
0
+
Технический результат достигается тем, что устройство для глубокой деоксигенации воды включает электрохимическую ячейку, разделенную катионообменной мембраной на анодные и катодное отделения, анодные отделения заполнены зернистым слоем сульфокатионообменника, катодное отделение загружено зернистым слоем медьсодержащего нанокомпозита; а также устройство содержит ряд последовательных фильтров для предварительной и постобработки воды: механический, сорбционный и ионообменный фильтры смешанного действия, в устройство дополнительно входит химический деоксигенатор с зернистым слоем нанокомпозита; насос, кислородомеры, расходомер, система кранов, согласно полезной модели устройство содержит систему из фильтров предварительной обработки воды, включающую в себя последовательные механический, сорбционный и ионообменный фильтры смешанного действия, а также систему из фильтров постобработки воды, состоящую из последовательного сорбционного и ионообменного фильтров, устройство дополнительно содержит два последовательных блока - электрохимический и химический, которые располагают между системой из фильтров предварительной обработки воды и системой из фильтров постобработки воды; катодное отделение электрохимического блока представляет собой семиступенчатый электродеоксигенатор с последовательным гидравлическим соединением ступеней, каждая из которых имеет собственную систему поляризации, электрический ток при этом подают перпендикулярно потоку воды, в два анодных отделения электрохимического блока, расположенных по обе стороны катодного отделения с покрытыми нитридом титана анодами из нержавеющей стали, загружают сульфокатионообменник Lewatit K2620, в катодное отделение с проволочным медным катодом в центре помещают нанокомпозит медь-сульфокатионообменник Lewatit K2620, а катодное и анодное отделения разделяют катионообменной мембраной МК-40, используют все ионообменные компоненты в Na-форме, катодное отделение располагают в центре электродеоксигенатора, анодные отделения с обеих сторон прижимают сплошными стенками; при этом химический деоксигенатор, образующий химический блок, используют с наполнением нанокомпозита Cu⋅Lewatit K2620 в Na-форме; расходомер в устройстве располагают между электрохимическим блоком и системой из фильтров предварительной обработки воды, используют три кислородомера, один из которых расположен на входе в систему из фильтров предварительной обработки воды перед насосом, а два других - на входе и выходе из химического блока.
0
+
+
Устройство для глубокой деоксигенации воды представлено на фиг. 1. Электрохимический блок (а) представляет собой семиступенчатый электродеоксигенатор с последовательным гидравлическим соединением ступеней; каждая ступень разделена катионообменной мембраной на анодные и катодное отделения, имеющие собственную систему поляризации, чтобы не превысить величину предельного тока на каждой ступени, электрический ток при этом подают перпендикулярно потоку воды. В два анодных отделения электрохимического блока, расположенные по обе стороны катодного отделения, загружают сульфокатионообменник Lewatit K2620, в катодное отделение помещают нанокомпозит медь-сульфокатионообменник Lewatit K2620 (Cu⋅Lewatit K2620 (Na)). Используют все ионообменные компоненты в Na-форме, катодное отделение располагают в центре ячейки, затем располагают анодные, и с обеих сторон прижимают сплошными стенками.
В качестве анодов используется нержавеющая сталь с напыленным нитридом титана, катодом является проволочная медь, проходящая через центр зернистого слоя нанокомпозита.
Система из фильтров предварительной обработки воды (б) включает в себя механический фильтр (1) для предотвращения попадания твердых примесных частиц в воду, сорбционный фильтр (2), предназначенный для удаления органических и неорганических примесей, и ионообменный фильтр смешанного действия для коррекции состава воды (3).
Система из фильтров постобработки воды (в) включает в себя сорбционный фильтр (2), предназначенный для удаления органических и неорганических примесей, и ионообменный фильтр смешанного действия для коррекции состава воды (3).
0
+
Химический блок (г) предназначен для глубокого удаления кислорода из чистой воды, он состоит из химического деоксигенатора (4) с загрузкой гранулированного нанокомпозита Cu⋅Lewatit K2620 (Na).
В устройстве для контроля содержания кислорода в системе используются кислородомеры (5). Подача воды осуществляется с помощью перистальтического насоса (6), контроль скорости потока фиксируется расходомером (7). Проточные семиступенчатые электролизеры (8) поляризуются источниками постоянного тока (9). Части устройства разделены между собой кранами (10). В процессе использования устройство получает исходную воду из емкостей (11), далее вода из анодных камер поступает в емкость (12), а обескислороженная вода из катодной камеры собирается в емкость (13), предварительно заполненную аргоном и контролируемую клапаном для выхода избыточного аргона (14).
0
3
3
Пример 1. Вода с концентрацией кислорода порядка С = 8 мг/дм поступает в устройство для обескислороживания со скоростью u = 0.33 см/с (11.9 м/ч). Вода движется с указанной заданной скоростью, которая регулируется с помощью насоса и измеряется расходомером. Кислородомерами оценивается содержание кислорода в исходной воде, а также в воде на выходе из электрохимического и химического блоков деоксигенатора.
l
-2
-2
-4
2
+
Катодное отделение электрохимического деоксигенатора представляет собой семь последовательно соединенных ступеней. Высота каждой ступени катодного отделения составляет  = 6⋅10 м, общая высота зернистого слоя L = 42⋅10 м, сечение катодной камеры S = 1.2⋅10 м. Катоды выполнены из медной проволоки, аноды - из нержавеющей стали, покрытой нитридом титана. В целях обеспечения ионной проводимости в анодные отделения загружается сульфокатионообменник Lewatit K2620. В катодные отделения загружается нанокомпозит (НК) медь-сульфокатионообменник Lewatit K2620. Нанокомпозит изготовлен согласно [Полезная модель к патенту RU 172363, 2017]. Катодные и анодные отделения разделены катионообменной мембраной МК-40. Все ионообменные компоненты были взяты в Na-форме.
-3
2
0
+
В химическом блоке производится глубокое удаление кислорода из чистой воды. Используются фильтры высотой 0.235 м и диаметром 0.065 м (площадью сечения 3.3⋅10 м), включающие химический деоксигенатор с загрузкой Cu⋅Lewatit K2620 (Na), механический фильтр, сорбционный фильтр и ионообменный фильтр смешанного действия.
На фиг. 1 представлено устройство для глубокой деоксигенации воды.
0
+
0
На фиг. 2, где представлена таблица 1, где приведены параметры лабораторных испытаний предложенного электролизера: моделирование обескислороживания воды на устройстве для деоксигенации с нанокомпозитом Cu⋅Lewatit K2620(Na) (радиус гранул R = 0.028 см, степень наполнения композитом χ = 0.70).
0
+
-2
На фиг. 3 приведены зависимости от времени концентрации С растворенного в воде кислорода (а), рН (б) и электропроводности воды  (в) на выходе из катодно поляризуемого 7-ми ступенчатого зернистого слоя нанокомпозита Cu⋅Lewatit K2620(Na). Высота каждой ступени l = 6⋅10 м. Пунктирной линией обозначены показатели исходной воды.
0
2
Процент удаления кислорода из воды рассчитывался следующим образом: при концентрации кислорода в исходной воде С = 8 мг/л О в воде на выходе из электрохимической части реактора имеем С = 0.35 мг/л, т.е. в данных условиях кислород из воды удаляется на 95.6%. Таким образом, удаление растворенного кислорода в протекающей воде через 7-ми ступенчатый зернистый слой катодно поляризованного нанокомпозита происходит на ~ 96%. Оставшийся кислород восстанавливается химическим блоком вплоть до уровня С = 3 мкг/л (ppb).
0
4
Таким образом, можно довести уровень кислорода в воде от исходного значения порядка С = 8 мг/л до С = 3 мкг/л (ppb), т.е. удалить кислород на 99,96% без применения драгоценных металлов. Срок службы установки ограничивается временем окисления наночастиц металла (t~10 ч), после чего необходима химическая регенерация.
Уточним, что предложенное устройство можно использовать при иных условиях, не ограничиваясь данным примером.