Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа
FLAT-CHAMBER TYPE ELECTROBARROMEMBRANE APPARATUS

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электронанофильтрации, электроосмофильтрации и может быть использовано в химической, текстильной, целлюлозно-бумажной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.
Аналогом данной конструкции является баромембранный аппарат, приведенный в работе Дытнерского Ю.И. «Обратный осмос и ультрафильтрация». М.: Химия, 1978 стр. 111, 197-200. Он представляет собой однокамерный аппарат, состоящий из пористого анода и катода, прианодной и прикатодной мембран. Недостатками являются: малая площадь разделения при высокихэнергозатратах на процесс разделения. Эти недостатки частично устранены в прототипе.
Прототипом данной конструкции является электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, конструкция которого приведена в патенте RU 2689617 С1, 28.05.2019 Бюл. № 16.Известный аппарат состоит из двух фланцев, каналов ввода и вывода разделяемого раствора и отвода пермеата, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора, штуцеров для отвода прикатодного и прианодногопермеата, устройства для подвода постоянного электрического тока, чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной”, дренажных сеток, монополярно-пористых пластин электрода-катода и электрода-анода, пористых подложек из ватмана, прикатодных и прианодных мембран, соответственно довнешнего периметра, прокладок, по внутреннему периметру которых расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5 мм от их толщины и одной третьей их части по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладок вставлены концы сеток-турбулизаторов, представляющих собой набор переплетенных под углом 90° в одной плоскости нарезок катионообменных и анионообменных мембран, внутренние поверхности диэлектрических фланцев корпуса снабжены уложеннымипоследовательно друг на друга дренажными сетками, монополярно-пористыми пластинами электродом-катодом, пористыми подложками из ватмана, прикатодными мембранами соответственно, на чередующихся диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеются двусторонние отверстия для подвода электрических проводов, залитые полимерным компаундом от отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока, соединенные с дренажными сетками, на внутренней стороне диэлектрических фланцев корпуса имеется отверстие дляподвода электрического провода от отрицательной клеммы устройства для подвода постоянного электрического тока к дренажной сетке и канал для отвода прикатодногопермеата с диэлектрической сеткой по всей площади, расположенные в тех же местах, что и на чередующихся диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной”, на которых расположены каналы для отвода прикатодного и прианодногопермеата и отверстия для подвода электрических проводовв зависимости от схемы подключения электродов “минус” или “плюс”, чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” выполнены с полостью в виде малой камеры разделения в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого равна толщине диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” от одной ее стороны с уплотнительной поверхностью шип-паз по другую, под малые прикатодные и прианодные мембраны на уплотнительнойповерхности диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеется углубление величиной 1 мм, для установки малой прокладки прямоугольной формы, уплотняющей периметр малой прикатодной и прианодной мембран соответственно, в месте установки дренажной сетки с двух противоположных ее концов по плоской поверхности установлены последовательно монополярно-пористые пластины электрод-катод и малый электрод-катод, монополярно-пористые пластины электрод-анод и малый электрод-анод соответственно, пористая подложка из ватмана и малая пористая прикатодная подложка из ватмана, пористая подложка из ватмана и малая пористая прианодная подложка из ватмана соответственно, прикатодная мембрана и малая прикатодная мембрана, прианодная мембрана и малая прианодная мембрана соответственно.
Недостатками являются: малая площадь разделения растворов, малая производительность по прикатодному и прианодномупермеату, низкое качество и эффективность разделения растворов, большая материалоемкость на единицу объема аппарата.
Технический результат выражается увеличением площади разделения растворов, увеличением производительности по прикатодному и прианодномупермеату, повышением качества и эффективности разделения растворов, снижением материалоемкости на единицу объема устройстваза счет того, что аппарат состоит из двух фланцев, каналов ввода и вывода разделяемого раствора и отвода пермеата, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора, штуцеров для отвода прикатодного и прианодногопермеата, устройства для подвода постоянного электрического тока, чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” и с “впадиной”, дренажных сеток, монополярно-пористых пластин электрода-катода и электрода-анода, пористых подложек из ватмана, прикатодных и прианодных мембран, соответственно до внешнего периметра, прокладок по внутреннему периметру которых расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5 мм от их толщины и одной третьей их части по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладок вставлены концы сеток-турбулизаторов, представляющих собой набор переплетенных под углом 90° в одной плоскости нарезок катионообменных и анионообменных мембран, все соседние межузлия сетки-турбулизатора имеют насечки шириной 2 мм, глубина которых составляет половину толщины нарезок катионообменных и анионообменных мембран, а сами насечки обращены к прианодным и прикатодным мембранам, внутренние поверхности диэлектрических фланцев корпуса снабжены уложенными последовательно друг надруга дренажными сетками, монополярно-пористыми пластинами электродом-катодом, пористыми подложками из ватмана, прикатодными мембранами соответственно, на чередующихся диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеются двусторонние отверстия для подвода электрических проводов, залитые полимерным компаундом от отрицательной и положительной клемм устройства для подвода постоянного электрического тока, соединенные с дренажными сетками, на внутренней стороне диэлектрических фланцев корпуса имеется отверстие для подвода электрического проводаот отрицательной клеммы устройства для подвода постоянного электрического тока к дренажной сетке и канал для отвода прикатодногопермеата с диэлектрической сеткой по всей площади, расположенные в тех же местах, что и на чередующихся диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной”, на которых расположены каналы для отвода прикатодного и прианодногопермеата и отверстия для подвода электрических проводов в зависимости отсхемы подключения электродов “минус” или “плюс”, чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” выполнены с полостью в виде малой камеры разделения в форме прямоугольного параллелепипеда, толщина которого равна толщине диэлектрической камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” от одной ее стороны с уплотнительной поверхностью шип-паз по другую, под малые прикатодные и прианодные мембраны на уплотнительной поверхности диэлектрических камеркорпуса с “выступом” и с “впадиной” имеется углубление величиной 1 мм, для установки малой прокладки прямоугольной формы, уплотняющей периметр малой прикатодной и прианодной мембран соответственно, в месте установки дренажной сетки с двух противоположных ее концов по плоской поверхности установлены последовательно монополярно-пористые пластины электрод-катод и малый электрод-катод, монополярно-пористые пластины электрод-анод и малый электрод-анод соответственно, пористая подложка из ватмана и малая пористаяприкатодная подложка из ватмана, пористая подложка из ватмана и малая пористая прианодная подложка из ватмана соответственно, прикатодная мембрана и малая прикатодная мембрана, прианодная мембрана и малая прианодная мембрана соответственно, отличающийся тем, что чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” имеют переточные каналы, соединяющие камеры разделения и малые камеры разделения соответственно, в прокладках выполнены вертикальные цилиндрические отверстия, а вчередующихся диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной” выполнены горизонтальные цилиндрические отверстия, переточный канал соединен с вертикальным цилиндрическим отверстием в прокладке, а переточный канал с горизонтальным цилиндрическим отверстием в диэлектрических камерах корпуса с “выступом” и с “впадиной”, между которыми размещены прокладки с отверстиями под переточной канал, на диэлектрических камерах корпуса с “впадиной” имеются установленные на передней и задней стенке камерные штуцеры ввода исходного раствора и вывода ретентата, которые размещены на расстоянии 30 и 90 мм соответственно от основания аппарата по центральной вертикальной оси, малая камера разделения имеет высоту равную высоте прикатодной, прианодной мембран, а шириной равной ширине малой прикатодной, прианодной мембран, насечки сетки-турбулизатора имеют полукруглую форму.
На фиг. 1 изображен электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, продольный разрез; фиг. 2 - вид сверху; фиг. 3 - вид слева; фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2; фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 2; фиг. 6 - вид Г увеличенный, схема разделения в межмембранном канале на фиг. 1; фиг. 7 - вид Д (2:1) повернутый, пространственная модель межмембранного канала на фиг. 6.
Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа состоит из чередующихся диэлектрических камер корпуса с “выступом” 2 и с “впадиной” 1, двух диэлектрических фланцев 3, металлических пластин 4, прокладок 5, устройства для подвода постоянного электрического тока 6, штуцеров для отвода прикатодного и прианодногопермеата 7, 29, болтов 8, шайб 9 и гаек 10, штуцеров ввода и вывода разделяемого раствора 11, 12, сетки-турбулизатора 13, монополярно-пористыхпластин электрод-катод и электрод-анод 14, 30, малых монополярно-пористых пластин электрод-катод и электрод-анод 35, 42, прикатодной мембраны 15 и малой прикатодной мембраны 24, прианодной мембраны 27 и малой прианодной мембраны 41 соответственно,пористой подложки из ватмана 16 и малой пористой прикатодной подложки из ватмана 43, пористой подложки из ватмана 31 и малой пористой прианодной подложки из ватмана 40 соответственно, дренажных сеток17, 25, переточных каналов 18 и 19, соединяющих камеры разделения 46 и малые камеры разделения 20 соответственно, полимерного компаунда 21, диэлектрической сетки 22, каналов ввода и вывода разделяемого раствора 32, 33, каналов отвода прикатодного и прианодногопермеата 34, 23, дренажных сеток 25, двусторонних отверстий для подвода электрических проводов 26, полимерной композиции 28, камерных штуцеров ввода исходного раствора и вывода ретентата 36, 37, прокладок 38 с отверстиями под переточной канал 18, малых прокладок 39 прямоугольной формы, уплотняющих периметр малой прикатодной и прианодной мембран 24, 41 соответственно, горизонтальных и вертикальных цилиндрических отверстий 44, 45.
Чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2 и 1, диэлектрические фланцы 3, штуцеры ввода и вывода разделяемого раствора 11, 12, диэлектрическая сетка 22, штуцеры для отвода прикатодного и прианодногопермеата 7, 29, камерные штуцеры ввода исходного раствора 36 и вывода ретентата 37 могут быть изготовлены из капролона.
Монополярно-пористые пластины электрод-катод и малый электрод-катод 14 и 35, монополярно-пористые электрод-анод 30 и малый электрод-анод 42 соответственно могут быть изготовлены из 20-45 процентного пористого проката типа Х18Н15-ПМ, Х18Н15-МП, Н-МП, ЛНПИТ, ЛПН-ПМ.
Сетки-турбулизаторы 13 представляющие собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран марок МК-40, МА-40, МК-40Л, МА-41И, МА-ИЛ, МБ-1, МБ-2.
Полимерный компаунд 21 и полимерная композиция 28 изготавливаются из диэлектрических герметизирующих эпоксидных смол, пластмассы или клея холодная сварка.
Фланцевая дренажная сетка 17, дренажная сетка 25 могут быть изготовлены из материала Х18Н9Т, Х18Н10Т, 20Х23Н18, 10Х17Н13М2Т, 08Х18Т1.
Прокладка 5, прокладка 38 с отверстиями под переточной канал 18 и малая прокладка 39 могут быть выполнены из паронита или прокладочной резины.
Металлические пластины 4 могут быть изготовлены из стали 3, стали 15, стали 25, стали 30, стали 45.
+
В качестве прикатодных, прианодных мембран 15, 27 и малой прикатодной, прианодной мембран 24, 41 соответственно могут применяться изготовленные в виде ленты, полотна мембраны следующих типов МГА-95, МГА-95П-Н, МГА-95П-Т, МГА-100П, ОПМ-К, ESPA, ESNA, УАМ-150П, УПМ-П, УПМ-ПП, УПМ-50, УПМ-50М, УФМ-100, УФМ-50, УФМ-П, УФМ-ПТ, ОПМН-К, ОПМН (ОФМН)-П, МФФК-0, МФФК-3, ММК, ММПА,МПС, МФФК-Г, ММФ4, ММТ.
Аппарат работает следующим образом.
Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 11 расположенный на диэлектрическом фланце 3, фиг. 1, 2, 3, подается, минуя полимерную композицию 28 по каналу ввода разделяемого раствора 32, фиг. 1 в первую камеру разделения 46, образованную прикатодной мембраной 15, прокладкой 5 по внутреннему периметру которой расположены центральные прямоугольные углубления величиной 0,5мм от их толщины и одной третьей их части по ширине, причем в эти центральные прямоугольные углубления по всему внутреннему периметру прокладки 5 вставлены концы сетки-турбулизатора 13 представляющей собой переплетенные под углом девяносто градусов в одной плоскости набор из нарезок катионообменных и анионообменных мембран соответственно, и прианодной мембраны 27, образуя, таким образом, межмембранный канал в тех местах, где расположена сетка-турбулизатор 13.
В этот же момент времени к чередующимся диэлектрическим камерам корпуса с “выступом” и с “впадиной” 2, 1 и диэлектрическим фланцам 3, фиг. 1, включением устройства для подвода постоянного электрического тока 6 через электрические провода 26 проходящих в отверстиях, которые залиты полимерным компаундом 21 и соединенных с дренажными сетками 17, 25, к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока.
Раствор, двигаясь, перемешивается при помощи сетки-турбулизатора 13, фиг. 1, 6, 7, и поступает к прикатодной и прианодной мембранам 15, 27 соответственно, фиг. 1, 6,в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”.
Из образовавшейся между прикатодными, прианодными мембранами 15, 27 расположенными на диэлектрическом фланце 3 и диэлектрической камере корпуса с“впадиной” 1 и прокладкой 5 камеры разделения 46, фиг. 1, катионы и анионы, проникающие через прикатодную и прианодную мембраны 15, 27, пористые подложки из ватмана 16, 31, монополярно-пористые пластины электрод-катод и электрод-анод 14, 30, дренажные сетки 17, 25 уложенные последовательно друг надруге, проходят в пространстве между диэлектрическим фланцем 3 и монополярно-пористой пластиной электрод-катод 14 в пространстве дренажной сетки 17 и диэлектрической камерой корпуса с “впадиной” 1 и монополярно-пористой пластиной электрод-анод 30 в пространстве дренажной сетки 25 соответственно, и по каналам для отвода прикатодного и прианодногопермеата 34, 23 отводятся через штуцеры для отвода прикатодного и прианодногопермеата 7, 29 в виде оснований, кислот и газа в зависимости от схемы подключения“минус” или “плюс”.
Оставшиеся в камере разделения 46 анионы и катионы, движущиеся в ядре потока сетки-турбулизатора 13, фиг. 1, поступают по вертикальным цилиндрическим отверстиям 45 в прокладках 5 по переточному каналу 18, в следующую (вторую) камеру разделения 46, образованную соединенными между собой диэлектрическими камерами корпуса с “впадиной” и с “выступом” 1, 2, фиг. 1, и прианодными и прикатодными мембранами 27, 15 соответственно ввиде кислот, оснований и газа в зависимости от схемы подключения“минус” или “плюс”.
Раствор переходит из первой камеры разделения 46 во вторую камеру разделения 46 и далее по всем камерам разделения 46 по вертикальным цилиндрическим отверстиям 45 в прокладках 5 по переточным каналам 18чередующихся диэлектрических камер корпуса с “впадиной” и с “выступом”1 и 2, всего аппарата фиг. 1, 5, где происходит аналогичное разделение, катионы и анионы отводятся с пермеатом через прикатодные и прианодные мембраны 15 и 27 и по каналам для отвода прикатодного и прианодногопермеата 34 и 23, отводятся через штуцера для отвода прикатодного и прианодногопермеата 7 и 29 в виде оснований и кислот в зависимости от схемы подключения“минус” или “плюс”, а ретентатвыводится минуя полимерную композицию 28, по каналу вывода разделяемого раствора 33.
Одновременно с подачей исходного раствора под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через штуцер ввода разделяемого раствора 11 расположенного на диэлектрическом фланце 3, фиг. 1, 2, 3, также подается исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, через камерный штуцер ввода исходного раствора 36 установленный на передней стенке диэлектрической камеры корпуса с “впадиной” 1 ипоступает в малую камеру разделения 20, где катионы проникают через малые прикатодные мембраны 24, малые пористые прикатодные подложки из ватмана 43, малые монополярно-пористые пластины электрод-катод 35, а анионы проникают через малые прианодные мембраны 41, малые пористые прианодные подложки из ватмана 40, малые монополярно-пористые пластины электрод-анод 42 соответственно в пространстве дренажных сеток 17, 25 и отводятся самотеком в виде оснований, кислот и газа по каналам для отвода прикатодного и прианодногопермеата 34, 23 соответственно, предварительно объединяясь с потоками оснований, кислот и газа, образованных при разделении в основных камерах разделения 46 в зависимости от схемы подключения“минус” или “плюс”.
Оставшиеся в малой камере разделения 20 анионы и катионы, движущиеся в ядре потока, фиг. 1, поступают по горизонтальным цилиндрическим отверстиям 44 по переточному каналу 19 в чередующихся диэлектрических камерах корпуса с “впадиной” и с “выступом” 1, 2, через отверстия в прокладках 38, в следующую (вторую) малую камеру разделения 20.
Раствор переходит из первой малой камеры разделения 20 во вторую малую камеру разделения 20 и далее по всем малым камерам разделения 20 по горизонтальным цилиндрическим отверстиям 44, по переточным каналам 19чередующихся диэлектрических камер корпуса с “впадиной” и с “выступом”1, 2 всего аппарата фиг. 1, где происходит аналогичное разделение, катионы и анионы отводятся с пермеатом через малые прикатодные иприанодные мембраны 24, 41 и по каналам для отвода прикатодного и прианодногопермеата 34 и 23, отводятся через штуцеры для отвода прикатодного и прианодногопермеата 7 и 29 в виде оснований и кислот в зависимости от схемы подключения“минус” или “плюс”, а ретентат выводится через камерный штуцер вывода ретентата 37.
Исходный раствор, протекая по всем камерам разделения 46 последовательно от одного диэлектрического фланца 3 до второго диэлектрического фланца 3, фиг. 1, очищается от катионов и анионов в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, причем в прикатодном и прианодном пермеате содержатся различные растворенные газы, выделившиеся на монополярно-пористых пластинах электроде-катоде и электроде-аноде 14 и 30 соответственно в результате электрохимических реакций.
Исходный раствор, протекая по всем малым камерам разделения 20 последовательно от камерного штуцера ввода раствора до камерного штуцера вывода ретентата 37, фиг. 1, 2, очищается от катионов и анионов в зависимости от схемы подключения “минус” или “плюс”, причем прикатодный и прианодныйпермеат, полученный таким образом, объединяется с прикатодным и прианоднымпермеатом, полученных из основных камер разделения 46, где содержатся различные растворенные газы, выделившиеся на монополярно-пористых пластинах электрод-катод и электрод-анод 14 и 30 и малых монополярно-пористых пластинах электрод-катод и электрод-анод 35 и 42 соответственно в результате электрохимических реакций.
Увеличение площади для разделения растворов достигается за счет того, что малые прикатодные, прианодныемембраны выполнены увеличенной высоты, фиг. 1 (см. табл. 1), за счет этого увеличивается и производительность по прикатодному и прианодномупермеату.
Параметр, м<sup>2</sup>
<i>F</i><sub>к.р</sub>
<i>F</i><sup>-</sup><sub>фланц</sub>
<i>F</i><sub>м.к.р</sub>
<i>F</i><sub>пер.окна</sub>
<i>F</i><sup>-</sup><sub>общ</sub>
<i>F</i><sup>+</sup><sub>общ</sub>
<i>F</i><sub>общ</sub>
Аппарат-прототип
0,133
0,030
0,074
0,037
0,128
0,146
0,274
Аппарат,представленный в данной работе
0,152
0,030
0,102
-
0,132
0,152
0,284
F
F
F
F
F
F
F
к.р
фланц
м.к.р
пер.окна
общ
общ
общ
2
-
2
2
2
-
2
+
2
2
где  – общая площадь мембран камер разделения, м;  - общая площадь мембран фланцев, м;  - общая площадь мембран малых камер разделения, м;  - общая площадь мембран переточного окна, м;
- общая площадь прикатодных мембран, м; – общая площадь прианодных мембран, м;  - общая площадь камер разделения электробаромембранного аппарата, м.
Повышение качества и эффективности разделения растворов достигается за счет того, что увеличивается эффективная площадь для разделения растворов и возрастает производительность при объединении потоков пермеата полученных из основных камер разделения и малых камер разделения растворов, фиг. 1, 4.
Снижение материалоемкости на единицу объема устройства (аппарата), фиг. 1, 4 электробаромембранного разделения растворов достигается за счет того, что чередующиеся диэлектрические камеры корпуса с “выступом” и с “впадиной” выполнены с полостью в виде малой камеры разделения в форме прямоугольного параллелепипеда, высотой равной высоте прикатодной, прианодной мембран, а шириной равной ширине малой прикатодной, прианодной мембран.
На разработанной конструкции электробаромембранного аппарата плоскокамерного типа без наложения электрического поля можно проводить баромембранные процессы, например, обратный осмос, нанофильтрацию, ультрафильтрацию и микрофильтрацию при увеличении степени концентрирования разделяемого раствора за счет того, что обрабатываемый раствор будет последовательно циркулировать по всем малым камерам разделения раствора.