CN1344686A - 电凝机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于处理工业污水及其它污水的电凝机。包括底座、装于底座上的下盖、上盖,还位于上盖、下盖间自下而上交错平行排列叠合的多个阴极板座、阳极板座,自动去极化装置,每个阴、阳极板座上分别装有含过水孔的阴极板、阳极板,各阴、阳极板座通过连接锁紧件与上盖、下盖连接成密封电解机体,电解机体上、下部分别有出水管、进水管,自动去极化装置中有一端与动力源连接而另一端伸入电解机体内穿过各阴、阳极板的转轴,多个位于阴、阳极板间的装在转轴上能随转轴旋转能除去阴、阳极板上的结垢的除垢器。采用本电凝机处理污水时极板不会结垢极化,能耗低,处理污水速度高,应用范围广。

Description

电凝机

技术领域：

本发明涉及的是一种用于处理污水特别是工业污水的电凝机。

背景技术：

近三十年来，国内外曾有不少以电解的方式处理工业污水的实例。采用这种方法处理污水的诱人之处在于

处理污水速度快、效率高、占地省、土建量小；

脱色效果好；

处理污水不受气温变化的影响。

此外，电解方法处理污水，还有另外一些优点，例如，设备自动化程度高、操作简单、便于自动化控制等。

但随后发现了水处理电解装置本身的技术缺陷葬送了它良好的工业市场前景。这些颠覆性的技术缺陷经仔细分析后发现，主要的只有一条而已，这就是极板的迅速极化。

水处理电解装置极板迅速极化带来的致命问题是

1，金属极板表面被污垢覆盖，电阻增大。电解过程无法顺畅将阳极板金属离子源源析入水体，而依靠得失电子来完成的氧化—还原反应被大大削弱。而电解过程的水处理其去除水中污染物的主要方式之一就是氧化—还原反应。随着氧化—还原反应的大大削弱，水处理电解装置的处理污水的效率大大下降也是不言自明。

2，为了提高水处理电解装置的效率，不得不增大电流密度。但增大电流密度又带来了两个直接后果：

能耗增加、处理成本上升；

极板结垢的速度更加加快。

于是，水处理电解装置便更加陷入困境而不能自拔。

此外，传统的水处理电解装置都是卧式电解槽，这种槽式结构的电解装置不可避免地带来了另外一些严重缺点：

1)卧式电解槽各电解单元在电解过程中产生的氢和氧都得不到充分利用而是从每个电解单元浮出水体后逸散。由于电解中产生的初生态氧是最强的氧化剂，它对污水中的污染物有强烈的氧化去除作用，它和氧化—还原反应一样，是水处理电解装置去除污染物的重要反应。此外，初生态氧还是污水脱色、除臭和杀菌的有力手段。因此，一方面是同样的电流密度加进去，由于极板覆盖污垢而电阻加大，电解不充分而氧析出少；另一方面又要逸出，这样能够期望初生态氧要起的除污作用就相当有限。

2)卧式电解槽和它的所有极板必须靠停机清洗和除垢。

3)设备的结构笨重。

4)适应的污水种类有限。

5)氢的利用又不充分。由于氢是最轻的气体，电解产生的氢更容易且更快地在电解单元内浮出水体而逸散。不要小看了这种氢的微气泡，它是将分离出来的污染物的絮体实现和水分离的最佳介质。

针对水处理电解装置的这种技术现状，国内外相继提出了一些试图克服或延缓极板结垢极化的技术措施。例如，定期变更极板极性，以防极板迅速结垢极化；增高直流电电压和采用高频脉冲电流等。但实践证明，所有这些措施，都未能从根本上克服极板极化的问题。

中国专利ZL94227395.8公开了一种连续操作的水处理电解装置。包括含进水口和出水口的电解槽，电解槽内有数块平行间隔排列正、负极相间的电极板，在每两相邻电极板间有刮除元件，刮除元件采用了两侧具有弹性刀刃的刮刀。在长期的工业实践中，包括对上百种工业污水的处理以及对实际工业水处理工程中，发现仍存在如下问题：

刮刀剖面张开的两边(L)过长。当二刃面最外缘间的间距被压缩至极板间距时，原设计仅为刮刀刃面与上下极板表面相接触，变成了刮刀上下二面中部也成片与上下极板接触，这样就迫使除垢器电机要额外提供克服多余摩擦力的动力，增加了比原定设计多1.5倍至2倍的能耗。图13表示了这种不合理设计的示意。极板也为此蒙受了不必要的刮损。

刮刀剖面的几何尺寸，尤其是剖面厚度的变化不能确保刮刀二刃面压缩后，刮刀剖面的绕曲轴线按图13所示虚线位置(理想剖面)变形到位。

刮刀的运转随着阳极板的损耗，极板间距的扩大，刮刀(二刃面)的弹性扩张不足，因而对极板的除垢效率降低。通俗地说，随着使用时间延长，阳极板的变薄促使极板间距增大，当极板间距增大到一定程度后，刮刀的弹性扩张不足以使刮刀刃面能刮到上下极板。于是高效处理污水的优势便随之减弱甚至消失。如图14所示。

中国专利ZL99231233.7公开了一种极板间距恒定的水处理电解装置。包括位于基座上的多个平行排列的分别装有阳极板的极板座，转轴，装在转轴上随转轴转动能刮掉阴、阳极板上的结垢的含刃面的除垢器。在工业实践中，发明仍存在如下问题。

①只有一半的电解单元有自动去极化装置，一半电解单元无法安排自动去极化装置。

②由上述①，本专利除具有立式电凝机的氢、氧能充分利用外，实际上只相当于半台高效污水处理装置。

③实现阴阳极板间距恒定的工艺协调复杂，可靠性差，成本较高。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种处理污水时极板不会结垢极化，能耗低，处理污水速度高，应用范围广的立式电凝机。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明立式电凝机包括底座，装于底座上的下盖、上盖，其特征是还包括位于上盖、下盖间自下而上交错平行排列叠合的多个阴极板座、阳极板座，自动去极化装置，每个阴、阳极板座上分别装有含过水孔的阴极板、阳极板，各阴、阳极板座通过连接锁紧件与上盖、下盖连接成密封电解机体，电解机体上、下部分别有出水管、进水管，自动去极化装置中有一端与动力源连接而另一端伸入电解机体内穿过各阴、阳极板的转轴，多个位于阴、阳极板间的装在转轴上能随转轴旋转能除去阴、阳极板上的污垢的除垢器，由于每一块极板均与其上、下相邻的极板极性相异所以每一块极板与其上、下相邻的极板表面构成两个相邻的电解单元，故而电凝机电解单元个数N与极板对数(阴阳极板各一块为一对极板)P之间的关系为：N＝2P-1。

上述的除垢器中有一端装在转轴上能随转轴旋转的旋转臂，旋转臂上有嵌缝，嵌缝中装有至少一把含上、下刃面的刮刀。

上述的刮刀为采用绝缘弹性材料制成的一体化弹性刮刀，刮刀中面有弹性金属片，有足够的机械强度、绝缘和耐腐蚀以及稳定可靠的工作性能。

上述的刮刀包括装在嵌缝中的含上刃面的上刮刀体，含下刃面的与上刮刀体配合的下刮刀体，位于上、下刮刀体间的弹簧，在弹簧作用下，组合刮刀上、下刃面紧贴在极板表面上，刮除极板上结垢。

上述的刮刀嵌缝上有至少两个支承台阶，支承台阶的多少，视需要而定，可为两个、三个或更多，均匀分布在嵌缝上，一般说来，支承台阶的具体数量是嵌装组合弹性刮刀数加一，支承台阶是等间距的。

上述的上刮刀体、下刮刀体平行装于旋转臂嵌缝中，刮刀间对合边为斜边，确保镶嵌的刮刀结合处的缝隙在刮除极板污垢的整个过程中，不在极板上留下刮痕，增加极板使用寿命。

上述的阴、阳极板座在圆周相对方向上分别有径向矩型通槽，阴阳极板上分别有与阴、阳极板座上的矩形通槽配合穿过矩型通槽而伸出密封电解机体外的极板端把，便于接入直流电源。

上述的阴极板座、阳极板座的上、下面分别有环形密封槽，密封槽内装有密封圈，密封效果佳。

上述的在转轴上位于各电极板内孔相应位置上装有随转轴旋转的旋转衬套，在旋转衬套和电极板间装有固定衬套，极板中心孔被固定衬套、旋转衬套和转轴所封堵，这样各电解单元，尤其是相邻电解单元之间就不会发生通过极板圆孔的污水垂直流动，而必须通过极板过水孔自下而上流动，直到最后一个电解单元。

上述的转轴形状为正多棱柱，如为正四棱柱，相邻除垢器成180°装在转轴上，除垢器工作时，相邻两除垢器仍成180°交角，同步作圆周运动，旋转平衡。

电凝机处理污水的过程归结起来主要是电化学过程、化学过程和电化—物理过程。当污水进入电凝机加直流电后，上述化理过程几乎是同时发生。这些过程互为因果，相辅相成。本发明工作时，阳极板、阴极板分别与直流电源的正、负极连接。

1)污水进入电凝机并通以直流电后，以得失电子为表征的氧化—还原反应随即发生。装在转轴上的除垢器随转轴旋转，随着除垢器不断清洗极板，阴阳极极表面始终清洁光鲜。这样阳极板的金属离子不断析入水体，通过电子的得失，完成对水中污染物氧化—还原反应。随着除垢器的旋转，阳极板析入水体的离子被均衡地带入水体各处，得以使氧化—还原反应均衡高效持续进行随着阳极板离子源源不断析入水体，电解污水产生的氢氧根(OH)^-与金属离子形成金属氢氧化物(例如形成Al₂(OH)₃)。众所周知，金属氢氧化物就是净水剂。电解形成的氢氧化物与氧化还原反应的去除的污染物以及水体中的其它污染物(如悬浮物等)产生凝聚反应，形成大量的被分离出来的污染物的絮体。这是氧化—还原反应的接续反应，这是将污水中污染物从水体中分离出来的重要一步。

2)污水进入电凝机并通以直流电后，其阴阳极板分别源源不断的产生氢微气泡和初生态的氧。随着除垢器刮刀的运转，上述初生态的氧从阳极板表面不断进入水体。众所周知，初生态的氧是最强的氧化剂，它不仅将水体中污染物氧化而去除，它还对污水的脱色、除臭、消毒和杀菌起到至关重要的作用。氧化去除的污染物也如1)中一样形成絮体。

随着除垢器刮刀的运转，阴极板表面的氢的微气泡不断地进入水体并由除垢器的搅拌而均匀分布于水体，进而迅速附着在被去除的污染物絮体上使之比重变小。随着被处理水流出电凝机，附着大量氢微气泡的污染物絮体在自浮槽(专为电凝机出水设置)迅速浮至水面形成浮渣，并用机械方式刮除。自浮槽下层水则是清沏透明的排放水。这是被去除的污染物和水体分离的过程。

本发明电凝机技术性能的得到大大提升表现在以下诸多方面。

1)除垢器实时清除每块极板上下表面的污垢，并不使有结垢机会。这样，极板自始至终保持表面光鲜、平滑，不使有多余电阻产生。清新的阳极板表面源源不断地将金属离子析入被处理污水水体，整个依赖于电子得失的氧化—还原反应持续均衡高效，于是电解污水处理必定持续、高效、低能耗。

2)，污水被连续电解，在阳极板上产生初生态氧。初生态氧将水中污染物强烈氧化去除，加之1)中所述阳极析出的金属离子与电解污水产生的氢氧根(OH)^-生产金属氢氧化物(净水剂)，与水中污染物和强氧化反应去除的污染物产生凝聚反应，形成絮体进而与水分离。

1)和2)的过程为电凝机高效处理污水以及将去除的污染物实现与水体分离奠定了基础。

3)除垢器的徐徐转动，不断搅拌每个电解单元的污水，促使电解过程中水体离子浓度均匀。均匀的离子浓度不仅解决了离子浓度的极化问题，同时也促成了低能耗下的氧化—还原反应与凝聚反应高效率。这是除垢器旋转运动带来的显著优点。

4)除垢器贴合极板的连续刮转，将阳极板表面不断产生的初生态氧，轻柔又均衡地带入被处理污水水体，促使去除污染物的氧化反应均衡、高效发生。以同样方式进入水体的(由阴极板产生的)氢的微气泡均匀而迅速地附着在2)中所述的絮体上令絮体比重迅速降低。当被处理水流出电凝机进入专门设置的分离槽时，附着氢气泡的污染物絮体(即污渣)在槽中迅速上浮，实现污染物与水的分离。上浮的污渣被刮除，槽中下层是被电凝机处理后的排放水。

这种将氢和氧刮离极板进入被处理水体的结果，完全消除了电解过程在极板表面产生的气帘，降低了极板与水体界面的电阻，从而降低了能耗。

5)随着被处理水的由下层电解单元上流到较上层电解单元，如图1所示，未消耗完的氧也随水流向上层电解单元，实现氧的充分利用。这是电凝机的立式结构带来的好处之一。

和已有的电解装置相比，本发明具有如下优点：

1)处理污水时，阴阳极板光鲜、平整而无结垢。氧化—还原反应、凝聚反应稳定而高效。因此电阻小，能耗省而效率高。处理污水速度大大提高，传统水处理电解装置污水须在机内停留20～50分钟，而本发明电凝机处理污水在机内停留时间只有2分钟，甚至更短。

2)过程连续不断，无需因机内污泥积聚和极板结垢而停机清洗和除垢。(机内无污泥积聚、极板也不结垢)

3)电凝机处理污水过程产生的初生态的氧和大量氢的微气泡得到充分利用而无逸散。这就增加了强氧化去污的能力，也显著地提高了被去除的污染物与水体分离的速度。

4)由于除垢器的旋转，刮刀不断擦过极板所有表面消除了电解过程中附着在极板上的氢、氧气帘，更提高了污染物的去除率和提高了污染物与水体分离速度，也节省了能耗。

5)由于极板不断被刮刀清洁和被处理水在电解单元中不断被搅拌，阳极板析出金属离子顺畅并在水体中分布均匀，解决了离子浓度不均匀、(离子密集于极板表面附近)的离子浓度极化，降低了由于离子浓度不均匀而增加的水体电阻，它不但节省了能耗，而且提高了处理污水的效率。

6)备电解单元设置除垢器，工作稳定、可靠，操作也更为方便省力。

7)由于处理污水速度大幅度提高，因此，同样处理能力的电凝机和传统水处理电解装置相比，机器自重和体积大大减小，占地面积也大大节约。同样处理能力的机器，电凝机结构重量仅为传统水处理装置的三分之一至五分之一，而占地面积(主机相比)仅为四分之一至五分之一。

8)处理后的排放水，其去除掉的污染物与水体的分离速度极快，仅需十几秒钟。就此而言，整整比传统水处理电解装置提高了一个数量级。

9)污染物去除率高。以含重金属污水和含(乳化)油污水为例，电凝机对重金属及油的去除率高达99％～99.99％。

10)电凝机处理过程无燥音产生。

11)电凝机处理污水后的浮渣，结构紧密，含水率低。这为污渣后续处理大幅减少了工作量和投资。

12)容易形成处理能力从小到大的规格化产品，也更宜于大批量工业化生产。

13)适用范围广，实验证明，本发明电凝机不仅可用于印染、电镀等工业污水也可用于其它种类污水的处理：

生活污水，包括中水回用；

餐饮含油和油脂污水，含油、含乳化油污水；

印染(各类纤维织物)污水；

制革污水；

电子—电镀污水(即重金属污水)；

家禽、家畜粪便污水；

中西药制药污水；

造纸中段水和纸机白水；

屠宰污水和食品污水；

特种服务业(如洗澡水、桑那水)污水回用；

从水体中快速去除或提取藻类、去除悬浮物.

此外，由于电凝机高效及其小巧的机体和节省的占地，可以轻易而优势地配置成机动的车载系统，为部队和野外作业人员提供方便、清洁的生活、饮用水；也可以用于水面船舶的各类污水处理。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明内部结构示意图。

图3为阴、阳极板装配示意图1。

图4为阴、阳极板装配示意图2。

图5为上层极板与污水在上层极板上的流动示意图。

图6为图5的A-A剖视图。

图7为下层极板与污水在下层极板上的流动示意图。

图8为除垢器结构示意图。

图9为图8的B-B剖视图。

图10为图9中金属弹性片结构示意图。

图11为一体化刮刀立体示意图。

图12为旋转臂结构示意图。

图13为极板间刮刀被(极板)压缩后剖面变化示意图。

图14为极板间刮刀长期运转后弹性扩展不足示意图。

图15为含一体化刮刀的除垢器在极板上旋转示意图。

图16为除垢器另一结构示意图。

图17为图16的C-C剖面图。

图18为适合装一个组合刮刀的旋转臂结构示意图。

图19为适合装二个组合刮刀的旋转臂结构示意图。

图20为组合刮刀结构示意图。

图21为图20的D-D剖面图。

图22为含组合刮刀的除垢器在极板上旋转示意图。

图23为多个刮刀装配到旋转臂上时，刮刀间以斜边配合示意图。

图24为刮刀未受强迫位移力时的自动状态力学模型图。

图25为刮刀承载状态力学模型示意图。

图26为刮刀的力学分极模型图。

具体实施方式：

参见图1～图7，用于支承整机的底座1上连接有下盖2。多个阴极板座3、阳极板座4由下向上交错平行叠合，其最上面有上盖5，多个连接锁紧件——螺栓6依次穿过上、下盖及各阴极板座、阳极板座且采用密封和螺母将其连成一个密封电解机体7。下盖上装有进水管8，连接处要密封、绝缘。上盖上固定有出水管9，连接处也须绝缘密封。电机支架10装在上盖上。阴、阳极板座分别是用模具以工程塑料制作的一个绝缘圆环，极板座上、下均开有镶嵌密封胶条11的环形凹槽12。阴、阳极板座的几何形状相似。唯一不同之处如图2～图4所示将阳极板座上缘圆环切除即是阴极板座。在各阴、阳极板座的相反方向上分别有矩形径向通槽13、14。在各阴、阳极板座上分别装有形状如图5～图7所示的阴极板15、阳极板16。圆形阴、阳极板上分别有穿过阴、阳极板座上的径向通槽伸出电解机体外分别位于电解机体两侧的极板端把17、18。极板端把17、18分别与直流电源的正、负电极相接。阴、阳极板上分别有过水孔19、20。电凝机的电解单元数S＝2N-1，其中N为阴、阳极板对数。如图2所示，最低平台尺寸h即为极板间距，也即为电解单元的高度。自动去极化装置21中的动力源——电动机22、与电动机连接的减速机23装在电机支架上，安形状为正四棱柱的转轴24一端与减速机输出轴连接而另一端穿入电解机体内穿过各阴、阳极板。在各阴、阳极板与转轴间有装在转轴上随转轴旋转的旋转衬套25，在旋转衬套与阴、阳板间有固定衬套26。在每个阴、阳极板间有如图8所示的除垢器27。除垢器27包括如图12所示一端上有方孔44且通过方孔44套在转轴上随转轴转动的旋转臂28。旋转臂28上有嵌缝29。嵌缝里嵌有如图9所示的采用特种高分子材料加无棱角特种研磨制成的一体化刮刀30。一体化刮刀30上有两个刃面31、32，以其嵌入面嵌入旋转臂缝中。其内增加了如图10所示的金属弹性片45。金属弹性片45的几何形状与整体刮刀中面形状相同，只是张角部分不伸入刮刀刃面。其中有数个开孔46是为了调整一体化刮刀的弹性和加强一体化刮刀本身的连接强度。本实施例中一体化刮刀能满足，①工作状态下，只有刮刀上、下刃面与上、下极板接触；②适当大小的压缩弹性；③持久而足够的弹性扩张能力；④耐磨性、耐腐性、绝缘性；⑤便于模具成型，便于与旋转臂装配。

图15为含一体化刮刀的除垢器在极板上的旋转示意图。

图24为刮刀未受强迫位移力时的自由状态力学模型示意图。图25为刮刀承载力学模型示意图。

刮刀结构的对称性以及刮刀受压承载的对称性，决定了刮刀力学分极时仅取一半结构即可。如图25所示。图中阴影部分窄条是刮刀分析时所取的单位宽度力学模型，并将其固支于刮刀对称面XY平面如图25。

刮刀的力学分析模型取图26所示，按变剖面梁分析。梁的根部固支，梁端部刮刀刃面处承受强迫位移，悬臂结构。图25、图26中的L、S分别为刮刀臂长和强迫位移量。

在以上力学模型基础上，采用国际知名大型结构分极系统MSC/NASTRAN作有限元分析。分析涉及线性弹性范围和几何非线性范围。(如此简单结构作几何非线性分析着实吃惊，但又确系需要)，通过调整刮刀剖面和L，实现刮刀的合理设计，并且确保仅有刮刀上下二刃面与上下极板接触，以确保刮刀有足够的弹性扩张，从而实现电凝机自始至终高效处理污水。

除垢器也可采用图16所示的结构。包括含嵌缝33的旋转臂34和图20、图21所示组合刮刀35。旋转臂上有如图18所示的两个支承台阶36其内装有一个组合刮刀或如图19的均布的三个支承台阶37及两个组合刮刀。组合刮刀包括嵌在嵌缝上的含上刃面38的上刮刀体39、与上刮刀体配合的含下刃面40的下刮刀体41。下刮刀体41内有弹簧孔42，弹簧43装在弹簧孔内且紧顶在上刮刀体上。在弹簧作用下，组合刮刀上、下刃面紧贴在极板表面上，随旋转臂旋转刮除极板上的结垢。图22为含组合刮刀的除垢器在极板上的旋转示意图。

为了确保镶装的多把组合刮刀结合处的缝隙在刮除极板污垢的整个过程中，不在极板上留下刮痕，刮刀接缝处应如图24所示以斜边配合。

Claims (10)

1、电凝机，包括底座，装于底座上的下盖、上盖，其特征在于还包括位于上盖、下盖间自下而上交错平行排列叠合的多个阴极板座、阳极板座，自动去极化装置，每个阴、阳极板座上分别装有含过水孔的阴极板、阳极板，各阴、阳极板座通过连接锁紧件与上盖、下盖连接成密封电解机体，电解机体上、下部分别有出水管、进水管，自动去极化装置中有一端与动力源连接而另一端伸入电解机体内穿过各阴、阳极板的转轴，多个位于阴、阳极板间的装在转轴上能随转轴旋转能除去阴、阳极板上的结垢的除垢器

2、根据权利要求1所述的电凝机，其特征在于除垢器中有一端装在转轴上能随转轴旋转的旋转臂，旋转臂上有嵌缝，嵌缝中装有至少一把含上、下刃面的刮刀。

3、根据权利要求2所述的电凝机，其特征在于刮刀为采用绝缘弹性材料制成的一体化弹性刮刀，刮刀中面有弹性金属片。

4、根据权利要求2所述的电凝机，其特征在于刮刀包括装在嵌缝中的含上刃面的上刮刀体，含下刃面的与上刮刀体配合的下刮刀体，位于上、下刮刀体间的弹簧。

5、根据权利要求2所述的电凝机，其特征在于刮刀嵌缝上有至少两个支承台阶。

6、根据权利要求5所述的电凝机，其特征在于上刮刀体、下刮刀体平行装于旋转臂嵌缝中，刮刀间对合边为斜边。

7、根据权利要求1～6之一所述的电凝机，其特征在于阴、阳极板座在圆周相对方向上分别有径向矩型通槽，阴、阳极板上分别有与阴、阳极板座上的矩形通槽配合的穿过矩型通槽而伸出密封电解机体外的极板端把。

8、根据权利要求1～6之一所述的电凝机，其特征在于阴极板座、阳极板座的上、下面分别有环形密封槽，密封槽上装有密封圈。

9、根据权利要求1～6之一所述的电凝机，其特征在于在转轴上位于各电极板内孔相应位置上装有随转轴旋转的旋转衬套，在旋转衬套和电极板间装有固定衬套。

10、根据权利要求1～6之一所述的电凝机，其特征在于转轴形状为正多棱柱。

Images