CZ34130U1 - Generátor oxidu chloričitého - Google Patents

Description

Generátor oxidu chloričitého

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro výrobu plynného oxidu chloričitého CIO2 elektrolýzou roztoku chloritanu sodného NaC102, které zahrnuje elektrolyzér, zdroj stejnosměrného napětí a zdroj stlačeného vzduchu, přičemž elektrolyzér má anodovou komoru, v níž je umístěna anoda a katodovou komoru, v níž je umístěna katoda.

Dosavadní stav techniky

Z patentu US 2163793 je znám způsob výroby CIO2 elektrolýzou směsi NaCICl·. NaCl a fosforečnanu draselného. V tomto dokumentuje popsán elektrolyzér, který je rozdělen do dvou soustředných komor. Kolem válcovité anody je uspořádaná prstencová katoda. Mezi anodou a katodou je porézní membrána. Do anodové komory je pod hladinu kapaliny nad povrchem anody zaváděn vzduch a nad hladinou kapaliny je odváděna směs CIO2 se vzduchem.

Z patentové přihlášky US 2015014153 je znám aparát pro výrobu CIO2 elektrolýzou NaCICK V tomto dokumentu je popsán elektrolyzér, který je iontoměničovou membránou rozdělen na anodovou komoru a katodovou komoru. Do anodové komory se přivádí roztok NaCICh a do katodové komory se přivádí voda. Anolyt, který obsahuje CIO2 v roztoku NaClCU se odvádí do separátoru CIO2, do kterého se zavádí vzduch pro uvolňování CIO2 z roztoku. Katolyt, který obsahuje vodík H2 v roztoku NaOH, se vede do separátoru H2.

V patentu US 4456510 je popsán způsob výroby CIO2 elektrolýzou NaCICh, při kterém se dosahuje prakticky nulového obsahu chloru CI2 v produktu. Součástí zařízení pro popsaný způsob je elektrolyzér, který je rovněž iontoměničovou membránou rozdělen na anodovou komoru a katodovou komoru, přičemž anolyt, který obsahuje CIO2 v roztoku NaCICf. se odvádí do separátoru CIO2, do kterého se zavádí vzduch. Anoda je vytvořena z titanu povlečeného například platinou.

Nevýhodou zařízení známých ze stavu techniky je, že buď nedosahují požadované čistoty produktu, nebo jsou velmi složitá. Nejsou použitelná pro použití v malém měřítku, např. v domácnostních aplikacích.

Podstata technického řešení

Cílem technického řešení je vytvořit kompaktní přenosný generátor CIO2 s jednoduchou obsluhou, který poskytuje CIO2 vysoké čistoty.

Tohoto cíle je dosaženo generátorem CIO2 podle technického řešení, jehož podstatou je, že anodová komora a katodová komora jsou odděleny filtrační membránou s velikostí pórů 0,18 až 0,28 pm, přičemž přívod stlačeného vzduchu ze zdroje stlačeného vzduchu ústí ve vháněcím otvoru u dna anodové komory, kam je za provozu zaváděn vzduch pro uvolňování CIO2 z roztoku, a nad hladinou kapaliny se pak nachází výstup směsi vzduchu a CIO2. skrze který je odváděna směs CIO2 se vzduchem. Zařízení podle technického řešení tudíž nepotřebuje zvláštní separátor pro oddělování CIO2 z roztoku.

S výhodou je vzdálenost mezi anodou a katodou 2 až 5 mm. Anoda a katoda jsou tedy uspořádány v blízkosti filtrační membrány. Promíchávání roztoku v anodové komoře vzduchem tudíž nezasahuje rušivě do elektrochemického procesu.

- 1 CZ 34130 U1

Jestliže je anoda vytvořena z titanového plechu povlečeného platinou a katoda z plechu z nerezové oceli, je zdroj stejnosměrného napětí pro zamezení rozkladu NaCl uzpůsoben pro dodávání napětí nižšího než 2,7 voltu. Napětí samozřejmě musí být zároveň dost vysoké pro umožnění efektivního rozkladu NaCICf. které je v tomto případě alespoň 2,2 voltu. Nejvýhodnější je napětí asi 2,5 voltu.

Zdroj stejnosměrného napětí je s výhodou tvořen měničem napětí 5 V DC/2,5 V DC a zdroj stlačeného vzduchu je tvořen piezoelektrickým kompresorkem napájeným prostřednictvím měniče napětí 5 V DC/110 V AC. Generátor podle technického řešení tak může být při použití v polních podmínkách napájen tzv. power bankou, popřípadě solárním zdrojem.

Zdroj stejnosměrného napětí je s výhodou vytvořen jako jeden celek se zdrojem stlačeného vzduchu a samozřejmě s příslušnou ovládací elektronikou. Je tak získáno zvlášť kompaktní a pohotově použitelné zařízení.

Generátor podle technického řešené umožňuje přípravu roztoku CIO2 vysoké čistoty. Vysoká čistota produktu je podpořena nízkým použitým napětím nižším než 2,7 V. Původci předloženého technického řešení pokusy zjistili, že při tomto napětí se rozkládá pouze chloritan sodný a elektrolýzy se neúčastní nečistoty. Zejména chlorid sodný, který je v technickém chloritanu obsažen, se na platina/nerez elektrodách rozkládá až při napětí 2,7 V.

Proces výroby lze kdykoliv ukončit a kdykoliv opět začít bez výměny náplní, pokud nebyla vyčerpána jejich kapacita.

Je potřeba pouze jedna surovina, totiž roztok chloritanu sodného o běžně dostupné koncentraci a v jakékoliv kvalitě.

Zdrojem napájení generátoru CIO2 může být např. powerbanka, solární zdroj atd. Generátor tedy může být použit kdekoliv i bez zdroje napětí 230 V.

Generátor je zvlášť vhodný pro osobní využití v malém měřítku.

Objasnění výkresů

Obr. 1 představuje elektrolyzér generátoru podle technického řešení v perspektivním pohledu z vnějšku.

Obr. 2a představuje elektrolyzér generátoru podle obr. 1 v pohledu ze strany anodové komory přes boční stěnu, nacházející se na obr. 1 vlevo.

Obr. 2b představuje elektrolyzér generátoru podle technického řešení v pohledu přes boční stěnu, nacházející se na obr. 1 vpravo.

Na horní straně elektrolyzéru podle technického řešení, znázorněného v celkovém pohledu na obr. 1, se nachází konektor ]_ pro přivádění elektrického proudu z neznázoměného zdroje stejnosměrného napětí, přívod 2 stlačeného vzduchu z neznázoměného zdroje stlačeného vzduchu, zátka 3 anodové komory, uprostřed které se nachází výstup 4 směsi vzduchu a CIO2, a dále zátka 5 katodové komory.

Na obr. 2a je v pohledu ze strany anodové komory 6 přes odebranou boční stěnu vidět anoda 7, vháněcí otvor 8 u dna anodové komory 6, ve kterém ústí přívod 2 stlačeného vzduchu ze zdroje stlačeného vzduchu, a filtrační membrána 9.

-2CZ 34130 U1

Na obr. 2b je přes odebranou boční stěnu vidět anoda 7, vháněcí otvor 8 u dna anodové komory 6, ve kterém ústí přívod 2 stlačeného vzduchu ze zdroje stlačeného vzduchu, filtrační membrána 9 a katoda 10. V prostoru na straně anody 7 odvrácené od filtrační membrány 9, tj. na obr. 2a na levé straně, se nachází anodová komora 6 a v prostoru na straně katody 10 odvrácené od filtrační membrány 9, tj. na obr. 2a na pravé straně, se nachází katodová komora 11.

Příklad uskutečnění technického řešení

Elektrolyzér generátoru CIO2 podle technického řešení je vyroben z polymethyhnethakrylátu PMMA v celkovém tvaru hranolu, jehož vnější rozměry jsou 95x85x47 mm. Má dvě oddělené komory, anodovou komoru 6, ve které je umístěna anoda 7, a katodovou komoru 11, ve které je umístěna katoda 10. Původci technického řešení pomocí řady pokusů zjistili, že vhodná vzdálenost mezi anodou 7 a katodou 10 je 2,5 až 4 mm. V popsaném příkladu provedení byla zvolena nejvýhodnější vzdálenost mezi anodou 7 a katodou 10. která je asi 3 mm. Jednotlivé komory, tj. anodová komora 6 a katodová komora 11, mají vnitřní rozměr 75x56x20 mm. Komory jsou vzájemně odděleny přepážkou z PMMA o tloušťce 3 mm, v níž je uspořádána kruhová filtrační membrána 9 z hydrofilního polytetrafluorethylenu s velikostí pórů 0,22 pm. V příkladu provedení byla použita filtrační membrána 9 o průměru 47 mm s tloušťkou 0,2 mm, komerčně dostupná od společnosti Rowe Scientific. Filtrační membrána 9 spolu s anodou 7 a katodou 10 je umístěna v otvoru 15 přepážky 14 mezi anodovou komorou 6 a katodovou komorou 11. Komory se plní a vyprazdňují otvory, umístěnými v horní části elektrolyzéru. Anodová komora 6 byla v příkladu provedení naplněna hmotnostně 24,5% roztokem chloritanu sodného v množství 80 ml a uzavřena zátkou 3 anodové komory 6. Katodová komora 11 byla naplněna stejným množstvím vody a uzavřena zátkou 5 katodové komory. Na přívod 2 stlačeného vzduchu v horní části elektrolyzéru je napojena trubička 12, která ústí ve vháněcím otvoru 8 u dna anodové komory. Tato trubička 12 vede přes vyrovnávací komoru 13. která zajišťuje to, aby elektrolyt po vypnutí napájení nevniknul do neznázoměného zdroje stlačeného vzduchu, například piezoelektrického kompresorku. Výstup 4 směsi vzduchu a CIO2 je také v horní části elektrolyzéru, totiž uprostřed zátky 3 anodové komory. Anoda 7 je poplatinovaný titanový plech, rozměry 32x32x0,8 mm, vrstva platiny je 3 pm. Katoda 10 je nerezový plech, rozměry 40x34x0,5 mm. Přívody a příslušné elektrody jsou z jednoho kusu, rozměry přívodů jsou 42x2x0,5 mm. Přívody proudu jsou chráněny pouzdrem z PMMA. Na přívody jsou připájeny elektrické vodiče zakončené vestavěným konektorem 1 pro přivádění napájení z neznázoměného zdroje stejnosměrného proudu. Všechny pájené spoje jsou zatmeleny silylem modifikovaným polymerem. Elektronická část je v příkladném provedení napájena zdrojem 5,2 V/2 A pomocí konektoru mikro USB a zahrnuje měnič napětí 5 V DC/120 V AC pro napájení piezoelektrického kompresorku a měnič napětí 5 V DC/2,5 V DC jako zdroj stejnosměrného napětí pro napájení elektrod elektrolyzéru. Veškerá elektronika je uspořádáno v jednom bloku, který je v příkladném provedení vytvořen jako jeden celek s piezoelektrickým kompresorkem.

Funkce generátoru je následující. Obě komory se po vodoznaky naplní roztokem CIO2, například komerčně dodávaným roztokem chloritanu sodného o koncentraci přibližně 24,5 % hmotnostního. Je však možné použít roztoky chloritanu sodného s koncentracemi 20 až 40 % hmota. Silikonovou hadičkou se připojí piezoelektrický kompresorek na přívod 2 stlačeného vzduchu. Na výstup 4 směsi vzduchu a CIO2 se připojí hadička z vysokohustotního polyethylenu HDPE, která je vedena do neznázoměné nádoby s médiem, kterým jev příkladném provedení destilovaná voda. Pro zachycování CIO2 však může být použito i jiné médium, například gel nebo fýziologický roztok. Elektronická část se připojí na power banku nebo na nabíječku 5,2 V DC připojenou na síťový zdroj 230 V. Na anodě 7 se téměř okamžitě začne uvolňovat čistý CIO2. Piezoelektrický kompresorek vhání vzduch ke dnu anodové komory 6, míchá tedy přirozeně elektrolytem, a vzduch v anodové komoře 6 nad hladinou elektrolytu sytí oxidem chloričitým CIO2. Sycený vzduch se odvádí do nádoby s destilovanou vodou, ve které se vzniklý CIO2 rozpouští pro finální použití.

-3 CZ 34130 U1

Za hodinu provozu zařízení podle popsaného příkladu se při počátečním proudu 1 ampér uvolní přibližně 2,5 g CIO2. Na katodě 10 se uvolňuje malý objem vodíku. Proud s klesajícím obsahem NaCICl· postupně klesá. Efektivní doba činnosti je alespoň 8 hodin, v závislosti na rychlosti reakce, která je ovlivněna také teplotou. Za ukončenou výrobu lze považovat při proudu 0,2 A. Při pokračující výrobě (pod 0,2 A) se i nadále rozkládá chloritan, ale produkce CIO2 je již nízká a proces je neefektivní.

Claims (5)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Generátor oxidu chloričitého CIO2 elektrolýzou roztoku chloritanu sodného NaC102, který zahrnuje elektrolyzér, zdroj stejnosměrného napětí a zdroj stlačeného vzduchu, přičemž elektrolyzér má anodovou komoru (6), v níž je umístěna anoda (7), a katodovou komoru (11), v níž je umístěna katoda (10), vyznačující se tím, že anodová komora (6) a katodová komora (11) jsou odděleny filtrační membránou (9) s velikostí pórů 0,18 až 0,28 pm, přičemž u dna anodové komory (6) ústí přívod (2) stlačeného vzduchu a v horní části elektrolyzéru se nachází výstup (4) směsi vzduchu a CIO2.
2. 2. Generátor oxidu chloričitého podle nároku 1, vyznačující se tím, že vzdálenost mezi anodou a katodou je 2,5 až 5 mm.
3. 3. Generátor oxidu chloričitého podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že anoda (7) je vytvořena z titanového plechu povlečeného platinou a katoda (10) je vytvořena z plechu z nerezové oceli, přičemž zdroj stejnosměrného napětí je uzpůsoben pro dodávání napětí nižšího než 2,7 voltu.
4. 4. Generátor oxidu chloričitého podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že zdroj stejnosměrného napětí je tvořen měničem napětí 5 V DC/2,5 V DC a zdroj stlačeného vzduchuje tvořen piezoelektrickým kompresorkem.
5. 5. Generátor oxidu chloričitého kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že zdroj stejnosměrného napětí je vytvořen jako jeden celek se zdrojem stlačeného vzduchu.