RU2110483C1

RU2110483C1 - Electrochemical water treatment apparatus

Info

Publication number: RU2110483C1
Application number: RU97104808A
Authority: RU
Inventors: Алексей Юрьевич Попов; Дмитрий Алексеевич Попов
Original assignee: Стерилокс Текнолоджиз, Инк.
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 1998-05-10
Also published as: EP0970019A1; AU6740998A; WO1998042625A1

Abstract

FIELD: water treatment. SUBSTANCE: in an apparatus containing at least one flow diaphragm electrolyzer with working anode and auxiliary cathode chambers having separate inlet and outlet pipes, anode chamber is provided with closed circuit formed by pipeline connecting outlet and inlet pipes of anode chamber. The latter, in turn, is connected via anode chamber water-supply pipeline with device providing increase in the pressure of water supplied into anode chamber. Outlet pipe of anode chamber is connected through pipeline provided with pressure control to gas- separation tank that, in its top part, is connected with gas-liquid mixer and, in its bottom part, with discharge pipeline. EFFECT: improved design. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к сфере электрохимической обработки воды и водных растворов солей с целью изменения ее окислительных и восстановительных свойств. The invention relates to the field of electrochemical treatment of water and aqueous solutions of salts in order to change its oxidizing and reducing properties.

Известно устройство для электрохимической обработки воды в проточном диафрагменном электролизере (патент Российской Федерации N 2038322). Это устройство содержит источник обрабатываемой воды, регуляторы расхода воды, установленные на линиях подачи воды в анодную и катодную камеры и на выходе из анодной камеры электролизера. Оно также содержит приспособление для дозирования реагента в обрабатываемую воду. A device for electrochemical treatment of water in a flow diaphragm electrolyzer (patent of the Russian Federation N 2038322). This device contains a source of treated water, water flow controllers installed on the water supply lines to the anode and cathode chambers and at the outlet of the anode chamber of the electrolyzer. It also contains a device for dispensing the reagent into the treated water.

Недостатком указанного устройства является неполное использование дозируемого реагента, вызванное тем, что реагент с обрабатываемой водой поступает как в анодную, так и в катодную камеры. В результате, если нам необходимо получить воду с окислительными свойствами, то в устройстве полезно используется только та часть реагента, которая поступает в анодную камеру, а реагент, попавший с водой в катодную камеру, теряется. То же самое наблюдается при получении воды с восстановительными свойствами. Следствием этого является повышенный расход реагента, удорожающий электрохимическую обработку воды и делающий ее недостаточно эффективной. The disadvantage of this device is the incomplete use of the dosed reagent, due to the fact that the reagent with the treated water enters both the anode and cathode chambers. As a result, if we need to obtain water with oxidizing properties, then only that part of the reagent that enters the anode chamber is useful, and the reagent that enters the cathode chamber with water is lost. The same is observed when obtaining water with reducing properties. The consequence of this is the increased consumption of the reagent, which increases the cost of electrochemical treatment of water and makes it insufficiently effective.

Наиболее близким к заявляемому устройству является аппарат для электрохимической обработки воды (патент Великобритании N 2253860). Указанный аппарат представляет собой проточный диафрагменный электролизер, анодная и катодная камеры которого разделены полупроницаемой керамической диафрагмой. Обе камеры снабжены раздельными входными и выходными патрубками, причем одна из камер является рабочей, а вторая - вспомогательной. Рабочая камера подсоединена входным патрубком к трубопроводу обрабатываемой воды, а вспомогательная снабжена замкнутым циркуляционным контуром, образованным трубопроводами, соединяющими входной и выходной патрубки вспомогательной камеры с газоразделительной емкостью, установленной выше электролизера. Closest to the claimed device is an apparatus for electrochemical water treatment (UK patent N 2253860). The specified apparatus is a flow diaphragm electrolyzer, the anode and cathode chambers of which are separated by a semipermeable ceramic diaphragm. Both chambers are equipped with separate inlet and outlet pipes, one of the chambers being the working one and the other one being the auxiliary one. The working chamber is connected by an inlet pipe to the processed water pipeline, and the auxiliary chamber is provided with a closed circulation circuit formed by pipelines connecting the inlet and outlet pipes of the auxiliary chamber with a gas separation tank installed above the electrolyzer.

Известное устройство работает следующим образом. The known device operates as follows.

Если необходимо получить воду с окислительными свойствами, например дезинфицирующий раствор, то в рабочую камеру, которой в этом случае является анодная камера, подают однократным протоком обрабатываемую низкоминерализованную воду, а во вспомогательную катодную камеру - высокоминерализованную воду, например концентрированный раствор хлорида натрия. В процессе электролиза высокоминерализованная вода циркулирует в катодном контуре, при этом хлорид-ионы из катодной камеры переносятся электрическим полем через диафрагму в анодную камеру, достигают поверхности анода, превращаются на нем в хлор, который, растворяясь в обрабатываемой воде, сообщает ей окислительные свойства. If it is necessary to obtain water with oxidizing properties, for example, a disinfecting solution, then the treated chamber, which is the anode chamber, is fed with low-mineralized water in a single flow, and highly mineralized water, for example, concentrated sodium chloride, is fed into the auxiliary cathode chamber. In the process of electrolysis, highly mineralized water circulates in the cathode circuit, while chloride ions from the cathode chamber are transferred by the electric field through the diaphragm to the anode chamber, reach the surface of the anode, turn into chlorine on it, which, dissolving in the treated water, gives it oxidative properties.

Недостатком известного устройства является неполное использование реагента, например хлорида натрия, а также повышенный расход электроэнергии. Неполное использование реагента вызвано тем, что только незначительная часть хлорид-ионов, переносимых электрическим полем в анодную камеру, достигает поверхности анода и превращается в хлор, основная часть хлорид-ионов уносится потоком обрабатываемой воды из анодной камеры и бесполезно теряется. Повышенный расход электроэнергии в указанном устройстве является следствием подачи в рабочую камеру низкоминерализованной воды, имеющей относительно высокое омическое сопротивление. A disadvantage of the known device is the incomplete use of a reagent, for example sodium chloride, as well as increased energy consumption. Incomplete use of the reagent is caused by the fact that only a small part of the chloride ions transferred by the electric field to the anode chamber reaches the surface of the anode and turns into chlorine, most of the chloride ions are carried away by the flow of treated water from the anode chamber and are uselessly lost. The increased energy consumption in the specified device is a consequence of the supply to the working chamber of low saline water having a relatively high ohmic resistance.

Решаемой задачей заявляемого изобретения является получение воды с окислительными и восстановительными свойствами при максимально полном использовании химических реагентов и при минимальных затратах электрической энергии. The solved problem of the claimed invention is the production of water with oxidizing and reducing properties with the most complete use of chemicals and at the lowest cost of electrical energy.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что заявляемое устройство для электрохимической обработки воды, содержащее по крайней мере один проточный диафрагменный электролизер с рабочей анодной и вспомогательной катодной камерами, снабженными отдельными входными и выходными патрубками, характеризуется тем, что анодная камера снабжена замкнутым циркуляционным контуром, соединяющим выходной и входной патрубки анодной камеры, последний, в свою очередь, связан трубопроводом подачи воды в анодную камеру с приспособлением для повышения давления воды, подаваемой в анодную камеру, а выходной патрубок анодной камеры соединен трубопроводом, снабженным регулятором давления, с газоразделительной емкостью, которая в верхней своей части соединена со смесителем газ-жидкость, а в нижней - со сливным трубопроводом. Кроме того, на трубопроводе подачи воды в анодную камеру может быть установлен фильтр. The solution to this problem is achieved due to the fact that the inventive device for electrochemical water treatment, containing at least one flow-through diaphragm electrolyzer with a working anode and auxiliary cathode chambers equipped with separate inlet and outlet pipes, is characterized in that the anode chamber is equipped with a closed circulation circuit, connecting the outlet and inlet pipes of the anode chamber, the latter, in turn, is connected by a pipeline for supplying water to the anode chamber with a device for increasing the pressure of water supplied to the anode chamber, and the outlet pipe of the anode chamber is connected by a pipe equipped with a pressure regulator to a gas separation tank, which in its upper part is connected to a gas-liquid mixer, and in the lower part to a drain pipe. In addition, a filter may be installed on the water supply line to the anode chamber.

Заявляемое устройство изображено на чертеже. The inventive device is shown in the drawing.

3аявляемое устройство состоит из анодной камеры 1, образованной анодом 2 и керамической полупроницаемой диафрагмой 3, и катодной камеры 4, образованной катодом 5 и дифрагмой 3. Оно также содержит входные 6 и 7, выходные 8 и 9 патрубки анодной и катодной камер соответственно. Входной патрубок 6 анодной камеры соединен трубопроводом 10 подачи воды (на чертеже - вода I) в анодную камеру с приспособлением 11 для повышения давления воды. Выходной патрубок 8 анодной камеры 1 соединен с входным патрубком 6 трубопроводом 12, образующим замкнутый циркуляционный контур анодной камеры. Кроме того, выходной патрубок 8 анодной камеры соединен трубопроводом 13, снабженным регулятором давления 14, с газоотделительной емкостью 15. Последняя трубопроводом 16 соединена со смесителем газ-жидкость 17, установленным на трубопроводе 18, служащем для подачи в смеситель 17 воды, которой сообщаются окислительные свойства (на чертеже - вода III). В нижней части газоотделительной емкости 15 имеется сливной трубопровод 19. The inventive device consists of an anode chamber 1 formed by an anode 2 and a ceramic semi-permeable diaphragm 3, and a cathode chamber 4 formed by a cathode 5 and a diaphragm 3. It also contains input 6 and 7, output 8 and 9 nozzles of the anode and cathode chambers, respectively. The inlet pipe 6 of the anode chamber is connected by a water supply pipe 10 (water I in the drawing) to the anode chamber with a device 11 for increasing the water pressure. The outlet pipe 8 of the anode chamber 1 is connected to the inlet pipe 6 by a pipe 12, forming a closed circulation circuit of the anode chamber. In addition, the outlet pipe 8 of the anode chamber is connected by a pipe 13 provided with a pressure regulator 14 to a gas separation vessel 15. The latter by a pipe 16 is connected to a gas-liquid mixer 17 installed on a pipe 18, which serves to supply water to the mixer 17, which has oxidizing properties (in the drawing - water III). In the lower part of the gas separation tank 15 there is a drain pipe 19.

К входному патрубку 7 катодной камеры 4 подсоединен трубопровод 20 с запорным краном 21 для подачи в катодную камеру вспомогательной воды (на чертеже - вода II). Выходной патрубок 9 катодной камеры 4 соединен трубопроводом 22 с газоотделительной емкостью 23, которая связана с входным патрубком 7 трубопроводом 24, создающим замкнутый циркуляционный контур катодной камеры. Газоотделительная емкость 23 снабжена сливным трубопроводом 25 и выпускным отверстием 26 для выпуска электролизных газов в атмосферу. На трубопроводе 10 подачи воды в анодную камеру 1 может быть установлен фильтр 27. A pipe 20 with a shut-off valve 21 is connected to the inlet pipe 7 of the cathode chamber 4 for supplying auxiliary water to the cathode chamber (water II in the drawing). The outlet pipe 9 of the cathode chamber 4 is connected by a pipe 22 with a gas separation vessel 23, which is connected to the inlet pipe 7 by a pipe 24, creating a closed circulation circuit of the cathode chamber. The gas separation vessel 23 is provided with a drain pipe 25 and an outlet 26 for discharging electrolysis gases into the atmosphere. A filter 27 may be installed on the pipeline 10 for supplying water to the anode chamber 1.

Заявляемое устройство работает следующим образом. The inventive device operates as follows.

В анодную камеру 1 с помощью приспособления 11 под избыточным давлением подается высокоминерализованная вода (на чертеже - вода I), например насыщенный раствор хлорида натрия. Под действием этого давления вода из анодной камеры 1 проникает через керамическую диафрагму 3 в катодную камеру 4 и заполняет ее. После заполнения анодной и катодной камер водой I включается источник питания (на чертеже не обозначен), подсоединенный своими полюсами к аноду и катоду. После подачи электрического напряжения на анод и катод между ними протекает электрический ток. Под действием электрического тока на поверхности анода 2 хлорид-ионы превращаются в хлор, который частично растворяется в воде, а частично в виде пузырьков газа вместе с пузырьками кислорода, образовавшимися при электролизе воды, поднимается в верхнюю часть анодной камеры 1 и, увлекая за собой анолит, полученный при анодной обработке воды I, выходит через выходной патрубок 8 из анодной камеры 1. Далее основная часть анолита отделяется от газа и по трубопроводу 12 поступает к входному патрубку 6, через который возвращается в анодную камеру 1. Таким образом, большая часть анолита циркулирует по замкнутому контуру, образованному анодной камерой 1 и трубопроводом 12, соединяющим патрубки 8 и 6. Электролизные газы с меньшей частью анолита поступают по трубопроводу 13 через регулятор 14 давления (который поддерживает в анодной камере давление, необходимое для проникновения анолита через диафрагму в катодную камеру), в газоотделительную емкость 15. В емкости 15 электролизные газы отделяются от анолита и по трубопроводу 16 поступают в смеситель газ-жидкость 17 (в качестве которого может использоваться, например, водоструйный насос). Смеситель 17 установлен на трубопроводе 18, по которому в него поступает вода, например водопроводная (на чертеже - вода III), которой сообщаются окислительные свойства после растворения в ней электролизных газов, образовавшихся в анодной камере 1. Из газоотделительной емкости 15 уловленный анолит сливается по трубопроводу 19 и может возвращаться в анодную камеру 1 на повторную обработку для более полного использования оставшейся в нем соли. Возврат анолита из емкости 15 в анодную камеру 1 осуществляется с помощью приспособления 11 для повышения давления воды. В качестве такого приспособления может быть использован или насос, соединенный с емкостью для высокоминерализованной воды, или герметичная емкость с этой водой, в которой создается избыточное давление сжатым воздухом, или емкость с этой же водой, установленная на большей высоте относительно электролизера. Highly mineralized water (water I in the drawing), for example, a saturated solution of sodium chloride, is supplied to the anode chamber 1 using the device 11 under excess pressure. Under the influence of this pressure, water from the anode chamber 1 penetrates through the ceramic diaphragm 3 into the cathode chamber 4 and fills it. After filling the anode and cathode chambers with water I, a power source (not shown in the drawing) is turned on, connected at its poles to the anode and cathode. After applying electric voltage to the anode and cathode, an electric current flows between them. Under the action of an electric current on the surface of the anode 2, chloride ions turn into chlorine, which partially dissolves in water, and partially in the form of gas bubbles together with oxygen bubbles formed during the electrolysis of water, rises to the upper part of the anode chamber 1 and, dragging the anolyte obtained during the anodic treatment of water I leaves through the outlet pipe 8 from the anode chamber 1. Next, the main part of the anolyte is separated from the gas and through a pipe 12 to the inlet pipe 6, through which it returns to the anode chamber 1. Ta Thus, most of the anolyte circulates in a closed circuit formed by the anode chamber 1 and the pipe 12 connecting the nozzles 8 and 6. Electrolysis gases with a smaller part of the anolyte flow through the pipe 13 through the pressure regulator 14 (which maintains the pressure necessary for penetration in the anode chamber anolyte through the diaphragm into the cathode chamber), into the gas separation vessel 15. In the vessel 15, the electrolysis gases are separated from the anolyte and through the pipe 16 enter the gas-liquid mixer 17 (which can be used as for example, a water-jet pump). The mixer 17 is installed on the pipe 18, through which water enters it, for example tap water (water III in the drawing), which communicates the oxidizing properties after the electrolysis gases formed in the anode chamber 1 are dissolved in it. From the gas separation tank 15, the captured anolyte is drained through the pipeline 19 and can be returned to the anode chamber 1 for reprocessing to more fully utilize the salt left in it. The return of the anolyte from the tank 15 to the anode chamber 1 is carried out using the device 11 to increase the water pressure. As such a device, either a pump connected to a container for highly mineralized water, or a sealed container with this water, in which excess pressure is generated by compressed air, or a container with the same water, installed at a higher height relative to the electrolyzer, can be used.

В катодной камере 4 на катоде 5 под действием электрического тока образуются пузырьки водорода. Католит, получающийся при обработке воды в катодной камере 4, насыщается гидроксильными ионами и приобретает восстановительные свойства. Пузырьки водорода, поднимаясь в верхнюю часть катодной камеры 4, выходят из нее через выходной патрубок 9, увлекая за собой католит, поступают по трубопроводу 21 в газоотделительную емкость 22. В емкости 22 водород отделяется от католита и выходит в атмосферу через выпускное отверстие 25. Католит из газоотделительной емкости 22 может быть возвращен по трубопроводу 23 через входной патрубок 7 в катодную камеру 4 для ее подпитки. Избыток католита сливается из газоотделительной емкости 22 по трубопроводу 24. Сливаемый католит представляет собой воду с восстановительными свойствами. В катодную камеру 4 через входной патрубок 7 по трубопроводу 20 подается вспомогательная вода (на чертеже - вода II). В качестве вспомогательной воды может использоваться либо кислотный раствор, предназначенный для удаления катодных отложений с поверхности катода 5, либо водопроводная вода, подаваемая в катодную камеру 4 для охлаждения электролизера в случае его чрезмерного разогрева. Hydrogen bubbles are formed in the cathode chamber 4 on the cathode 5 under the influence of an electric current. The catholyte obtained by treating water in the cathode chamber 4 is saturated with hydroxyl ions and acquires reducing properties. Hydrogen bubbles rising to the upper part of the cathode chamber 4 exit it through the outlet pipe 9, dragging the catholyte along, enter the gas separation vessel 22 through the pipe 21. In the vessel 22, hydrogen is separated from the catholyte and released into the atmosphere through the outlet 25. Catholyte from the gas separation vessel 22 can be returned through the pipe 23 through the inlet pipe 7 to the cathode chamber 4 to feed it. Excess catholyte is discharged from the gas separation vessel 22 via a pipeline 24. The catholyte to be drained is water with reducing properties. In the cathode chamber 4 through the inlet pipe 7 through the pipe 20 is supplied auxiliary water (in the drawing - water II). As auxiliary water, either an acid solution designed to remove cathode deposits from the surface of the cathode 5 or tap water supplied to the cathode chamber 4 to cool the cell in case of excessive heating can be used.

Для очистки высокоминерализованной воды (на чертеже - вода I) от нерастворимых загрязнений используют фильтр 27. To clean highly mineralized water (water I in the drawing) from insoluble contaminants, a filter 27 is used.

В заявляемом устройстве достигается высокая степень использования растворенных в воде солей, например хлорида натрия, за счет того, что, во-первых, благодаря циркуляционному контуру анодной камеры, анолит подвергается многократной анодной обработке. Во-вторых, анолит, унесенный из анодной камеры электролизными газами, отделяется от них в газоотделительной емкости и возвращается в анодную камеру для повторной обработки. The inventive device achieves a high degree of use of salts dissolved in water, for example sodium chloride, due to the fact that, firstly, due to the circulation circuit of the anode chamber, the anolyte undergoes multiple anodic processing. Secondly, the anolyte, carried away from the anode chamber by electrolysis gases, is separated from them in a gas separation vessel and returned to the anode chamber for reprocessing.

Экономия электроэнергии в заявленном устройстве достигается за счет того, что анодная и катодная камеры заполнены высокоминерализованной водой, обладающей низким омическим сопротивлением. Заполнение катодной камеры высокоминерализованной водой через керамическую диафрагму из анодной камеры обеспечивается за счет приспособления для повышения давления воды, подаваемой в анодную камеру и регулятора давления, установленного на трубопроводе, соединяющем выходной патрубок анодной камеры с газоотделительной емкостью. Energy saving in the claimed device is achieved due to the fact that the anode and cathode chambers are filled with highly mineralized water having low ohmic resistance. The cathode chamber is filled with highly mineralized water through a ceramic diaphragm from the anode chamber due to a device for increasing the pressure of the water supplied to the anode chamber and a pressure regulator installed on the pipeline connecting the outlet pipe of the anode chamber to the gas separation vessel.

Установка фильтра на трубопроводе подачи воды в анодную камеру обеспечивает равномерность поступления высокоминерализованной воды из анодной камеры в катодную и улучшает заполнение последней. Installing a filter on the water supply pipe to the anode chamber ensures uniform flow of highly mineralized water from the anode chamber to the cathode and improves the filling of the latter.

В экспериментальных условиях сравнивалась работа заявляемого устройства и устройства-прототипа при получении дезинфицирующего раствора электролизом водного раствора хлорида натрия. При получении растворов, имеющих одинаковую дизенфицирующую активность, в заявляемом устройстве потребление хлорида натрия было в 7,5 раз ниже, чем в устройстве-прототипе. Потребление электрической энергии было в 2 раза ниже, чем в устройстве-прототипе. In experimental conditions, the operation of the inventive device and the prototype device was compared upon receipt of a disinfecting solution by electrolysis of an aqueous solution of sodium chloride. Upon receipt of solutions having the same disinfecting activity, the consumption of sodium chloride in the inventive device was 7.5 times lower than in the prototype device. Electric energy consumption was 2 times lower than in the prototype device.

Claims

1. Device for electrochemical treatment of water, containing at least one flowing diaphragm electrolyzer containing a working anode and auxiliary cathode chambers, equipped with separate input and output pipes, characterized in that the anode chamber is equipped with a closed circulation circuit formed by a pipe connecting the output and input nozzles of the anode chamber, the latter, in turn, is connected by a pipeline for supplying water to the anode chamber with a device for increasing the water pressure supplied in the anode chamber and the anode chamber outlet connected through a duct provided with a pressure regulator, a gas separation tank which in its upper part is connected to a gas mixer - liquid and at the bottom - the drainage pipeline.

2. The device according to claim 1, characterized in that a filter is installed on the water supply pipe to the anode chamber.