CZ408897A3

CZ408897A3 - Elektrochemický článek

Info

Publication number: CZ408897A3
Application number: CZ974088A
Authority: CZ
Inventors: Vitold Michajlovič Bakhir; Jurij Georgijevič Zadorožnyj
Original assignee: Vitold Michajlovič Bakhir; Jurij Georgijevič Zadorožnyj
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 1998-06-17
Also published as: EP0842122A1; GR3034432T3; AP970A; US5635040A; AP9701162A0; OA10551A; WO1997038942A1; CZ290114B6; ES2149474T3; EP0842122B1

Description

Vynález se týká chemické technologie, zejména elektrochemických článků pro úpravu vody a (nebo) vodních roztoků, a lze jej použít pro elektrochemickou regulaci kyselých a alkalických reakcí, oxidačně redukčního potenciálu (ORP) a katalytické aktivity vody a vodních roztoků, např. při elektrochemické výrobě různých produktů na základě elektrolýzy vodních roztoků.

V oblasti aplikované elektrochemie se pro úpravu vody a (nebo) vodních roztoků a pro výrobu různých produktů používají elektrolyzéry odliSných konstrukcí. Používají se např. elektrolyzéry s plochými elektrodami přitlačenými k membráně (viz autorův certifikát SSSR, č. 882944, 1979) či elektrolyzér s koaxiálními válcovými elektrodami, mezi nimiž je keramická membrána (viz zveřejněná patentová přihláška, Japonsko, č. I- 104387, 1989).

Na nejpokročilejSÍ úrovni jsou vSak modulové elektrolyzéry, jelikož jejich požadovaná výrobní kapacita je zajištěna spojením potřebného počtu modulů. Tak se v závislosti na požadované kapacitě snižují konstrukční a výrobní náklady na elektrolyzér, je usnadněno sjednocení součástí a zkracuje se doba potřebná pro sestavení a rozebrání těchto elektrolyzérů.

Nejvíce se jim technickou konstrukcí a dosaženými výsledky přibližuje zařízení pro úpravu vody na principu modulu, pracující s elektrochemickými články, jež obsahují koaxiální válcové a t yČové e1ektrody a koaxiální ultrafiltrační keramickou membránu z materiálů, kde jsou jako základ použity oxidy zirkonia, hliníku a yttria (viz patent Spojených států č. 5427667). Jako prototyp je zvolen technický postup úpravy vody.

Prototyp tyčové elektrody obsahuje části s proměnným průřezem a průměr jeho konců na hrotech tvoří 0,75 průměru jeho středové části, což umožňuje zlepšení hydraulických vlastností. Kromě toho určuje rovnice rozměry elektrod a membrány, a tak je omezena jejich vzájemná změna.

V prototypu jsou tyčové a válcové elektrody i membrána upevněny ve speciálních dielektrických pouzdrech s kanály pro přívod upravované vody sloužící k napouštění vody do komory tyčové elektrody a vypouštění vody ven. Na bočním povrchu válcové elektrody v její vrchní a spodní části jsou také kanály pro přívod upravované vody sloužící k napouštění vody do komory válcové elektrody a její vypouštění ven. Voda je upravována, když prochází komorami článku ve směru odspodu vzhůru.

Zařízení s požadovanou výrobní kapacitou se sestavují z mnoha článků užitím speciálních kolektorů zkonstruovaných jako monolitický prvek nebo speciální separátní bloky pro jeden článek, které jsou vybaveny spojovacími a těsnicími pomůckami. Pořadí, v němž jsou elektrody napojeny na póly zdroje, závisí na druhu požadovaného použití.

Prototyp efektivně zpracovává vodu či vodní roztok při nízké spotřebě energie. Prototyp má dostatečně jednoduché použití, snadno se skládá a rozkládá.

Prototyp má však i nevýhody. Speciální kolektory zvětšují rozměry přístroje, zvyšují jeho hydraulický odpor a vyžadují použití výkonnějších pump. Je také třeba četných spojení jednotlivých částí a jejich utěsnění. Prototyp vzhledem ke svým konstrukčním vlastnostem nepracuje efektivně při různé polaritě elektrod. Když tedy tyčová elektroda funguje jako anoda, její povlak se v místě přechodu směrem od středové části ke hrotům (což nezahrnuje otvory, jej ichž podíl na povrchu je malý) rychle opotřebovává. Celé zbývající místo přechodu je v místě

9 válcové elektrody a je vystaveno intenzivnímu vlivu elektrického pole o velké intenzitě (koncentraci pole v místech s proměnným tvarem). V prototypu nelze řídit naplňování upravovaného roztoku plynem. Výroba přístroje podle prototypu je též složitá, protože je třeba přesně dodržet koaxialitu všech detailů a membrány. Výroba systému upevnění pro tyčovou elektrodu je také složitá z důvodu existence kruhového prohloubení vnitřního povrchu kanálů v pouzdře a potřebě umístit do nich těsnění.

Cílem vynálezu je zjednodušit konstrukci článku a umožnit umístění požadovaného množství článků do malého prostoru, zjednodušit systém upevnění pro části článku, zlepšit spolehlivost a zvýšit životnost článku prostřednictvím eliminace vlivu deformací elektrického pole v místě mezi elektrodami, a rozšířit funkční možnosti článku tak, že se umožní regulovat vliv naplňování elektrolytu plynem v elektrochemickém procesu.

Tohoto cíle lze dosáhnout, když je elektrochemický článek pro úpravu vody a (nebo) vodních roztoků vyroben z vertikálních válcových koaxiálních částí, což se týká vnitřní elektrody z částí s proměnlivým průřezem (přičemž průměr jejích koncových částí nepřesahuje 0,75 průměru její středové části), vnější elektrody a koaxiální keramické membrány (z materiálů, jejichž základem jsou oxidy zirkonia s přídavkem oxidů hliníku a yttria), které oddělují prostor mezi elektrodami v elektrodových komorách. Elektrody jsou z materiálu, který je v průběhu elektrolýzy nerozpustný. Vnější elektroda je instalována ve spodním a vrchním dielektrickém pouzdru. Navíc existují na styčném konci horního a spodního pouzdra zdířky a článek obsahuje horní a spodní sběrací hlavici dielektrika obsahující axiální kanál. Hlavice jsou instalovány ve zdířkách pouzdra a jsou otočné. Membrána je upevněna pružným těsněním, které je umístěno ve zdířkách pouzdra. Průměr středové Části vnitřní elektrody je dán následující rovnicí:

2M<D<4M,

kde D je průměr středové části vnitřní elektrody v milimetrech a M je vzdálenost mezi elektrodami v milimetrech.

V závislosti na provedení a polaritě elektrod může být délka středové části vnitřní elektrody menší než délka vnější elektrody o hodnotu 2M nebo větší než délka vnější elektrody o hodnotu minimálně 2M. Preferovaná vzdálenost mezi elektrodami je 2,8 až 3,3 mm. Vnitřní elektroda je upevněna v hlavicích axiálních análů hlavic.

pružným těsněním zavedeným do Účelem kanálů ve spodní a vrchní hlavici a ve spodním a vrchním pouzdru je přivádět upravovanou vodu a (nebo) roztok do vnitřních a vnějších komor elektrod a odvádět ji z nich.

Kanály vedou do postranních povrchů a jsou vybaveny vývody. Délka vnější elektrody se může podle potřeby měnit od 50

Materiály pro elektrody lze vybírat zdrojů a volba závisí na podmínkách a konstrukci zařízení. Kdyby nebylo třeba mm do 240 mm.

ze stávajících požadavcích na měnit polaritu elektrod, bylo by možno použít titanové elektrody pokryté oxidem titaničitým a oxidem rutheničitým nebo titanové elektrody pokryté vzácnými kovy a jako anodu lze použít oxid manganičitý, ciničitý nebo kobaltičitý. Jako katodu lze použít leštěný titan, leštěný tantal nebo leštěné zirkonium pokryté pyrograíitem nebo sklovitým uhlíkem či jiné povlaky. Je-li třeba měnit polaritu elektrod, je možno použít titanové elektrody s povlakem z platiny nebo platiny a iridia. Je možno použít různé kombinace výše uvedených materiálů nebo jiných materiálů známých v aplikované e 1 e ktrochemi i.

Membrána elektrochemického článku je vyrobena z keramického materiálu složeného ze z oxidů zirkonia.

hliníku a yttrita a může obsahovat přídavné látky, jako jsou např. oxidy niobu, tantalu, gadolinia, hafnia a další. V závislosti na použití může být membrána provedena jako ultraíiltrační, mikrofiltrační nebo nanoíiltřační. Tvary membrány mohou být různé. Membrána může být tvaru komolého kužele s konicitou 1: (100 - 1000), a podobně se tloušťka • · · · · ···· • · » · · φ · ···· · • 99 9 9 9 ·«· ··· · · ·' 9 ···· · « · · stěny může pohybovat v rozmezí 0,4 mm až 0,8 mm po celé délce membrány. Membrána pak může být instalována v článku základnou směřující dolů nebo vzhůru.

Vnější (nebo vnitřní) povrch membrány může být také zkonstruován jako válcový, přičemž zbývající povrch (vnitřní nebo vnější) je kužel s konicitou 1 : (100

- 1000). V tomto případě je tloušťka stěny jednoho spodního konce 0,4 mm - 0,5 mm a šířka stěny zbývajícího spodního konce je 0,7 mm - 0,8 mm. Membrána je instalována ve článku, přičemž její spodní konec směřuje svou silnější stěnou dolů či vzhůru.

Vnější nebo vnitřní povrch membrány může být také zkonstruován jako komolý kužel s konicitou rovnou 1 :

(100

1000). Vrcholy kužele jsou navíc umístěny na opačném konc i membrány a tloušťka stěn spodního konce je 0,4 mm

0,5 mm a tloušťka druhého spodního konce je

0,7 mm

0,8 mm. Membrána je instalována v článku takovým způsobem, že spodní konec nejsilnější stěny je obrácen dolů či vzhůru.

Vnější nebo vnitřní povrch membrány může být také zkonstruován jako válec s šířkou stěny 0,4 mm - 0,7 mm.

Odchylka od geometricky správného povrchu membrány by v každém místě povrchu neměla být větší než 0,05 mm.

Vnitřní elektroda je uvnitř plná nebo dutá.

Vnitřní elektroda může obsahovat určité detaily.

které jsou ze stejného materiálu nebo z různých materiálů.

a jsou spojeny různými způsoby (v závislosti na materiálu), např.

svařováním laserovým paprskem, vakuovým svařováním.

mechanickým spojením atp. Na hrotech vnitřní elektrody je závit, sloužící k seřizování hlavice při manipulaci s podložkami a maticemi.

Lze použít různé kombinace rozměrů vnitřní elektrody v závislosti na pořadí, v němž jsou elektrody spojeny s póly napěťového zdroje.

Je-li např.

vnější elektroda spojena se záporným pólem napěťového zdroje a vnitřní elektroda je spojena s kladným pólem napěťového zdroje, přesáhne délka středové části vnitřní elektrody délku vnější elektrody o hodnotu minimálně 2M a vnitřní elektroda je instalována v Článku souměrně k vnější elektrodě. Je-li vnější elektroda spojena s kladným pólem napěťového zdroje a vnitřní elektroda je spojena se záporným pólem napěťového zdroje, pak je délka středové části vnitřní elektrody rovna nebo je menší než délka vnější elektrody o hodnotu 2M a vnitřní elektroda je k vnější elektrodě.

K zajištění přesné v závislosti na rozměrech upevnění vnitřní elektrody instalována v článku souměrně koaxility elektrod v článku se elektrod používají různé způsoby v axiálních kanálech hlavic.

Když délka vnitřní elektrody přesáhne o dostatečnou hodnotu délku vnější elektrody, je axiální kanál obsažen v části s variabilním průřezem a středová část vnitřní elektrody s velkým průměrem tvoří spárový spoj s axiálními kanály hlavic, v nichž je umístěno pružné těsnění. Tvoří-li středová Část vnitřní elektrody spárový spoj s axiálními kanály horní a spodní hlavice, je pružné těsnění instalováno do zářezů středové části vnitřní elektrody. Je-li vnitřní elektroda upevněna na hrotech, rovná se průměr axiálního kanálu hlavice průměru hrotů vnitřní elektrody a pružné těsnění je umístěno v zářezech na hrotech vnitřní elektrody. Mají-li axiální kaná.ly hlavice průměr rovnající se průměru hrotů vnitřní elektrody a jsou ve spodní části rozšířeny, je pružné těsnění umístěno v tomto rozšíření. Kromě toho článek obsahuje dielektrická pouzdra, která jsou rovněž umístěna v tomto rozšíření.

Tato zdokonalení jsou příčinou lepší funkce a kvality článku. Užití koaxiálních elektrod a membrány a jejich instalace v dielektrickém pouzdru a hlavicích umožňuje optimální hydraulický režim a zjednodušení sestavování článku. Ve vnější válcové elektrodě není třeba vyvrtávat otvory, čímž se usnadňuje její výroba. Protože lze otáčet hlavicemi a regulovat polohu vývodu, je možno sestavit v jednom zařízení kompaktním způsobem několik článků.

• ···· ·· Λ « « · « « ·· · · · · · « · ·* • · · · · » · ·· * · » · · · Λ · · · ·· • ♦ · ··♦ · «· • · · · · · ♦ ···· <· · ·

Přehled obrázků na výkresech

Obr.	1 znázorňuje průřez elektrochemickým článkem

podle vynálezu.

Obr.	2 znázorňuje jednu verzi struktury pro upevnění

vnitřní elektrody ve sběrných hlavicích elektrochemického článku podle vynálezu.

Obr.	3 znázorňuje druhou verzi struktury upevnění

vnitřní elektrody ve sběrných hlavicích.

Obr.	4 znázorňuje třetí verzi struktury upevnění

vnitřní elektrody ve sběrných hlavicích.

Obr.	5 znázorňuje čtvrtou verzi struktury upevnění

vnitřní elektrody ve sběrných hlavicích.

Obr. 6 znázorňuje první možnost konstrukce membrány, používanou v elektrochemickém článku podle vynálezu.

Obr. 7 znázorňuje druhou možnost konstrukce membrány, používanou v elektrochemickém článku podle vynálezu.

Obr. 8 znázorňuje třetí možnost konstrukce membrány, používanou v elektrochemickém článku podle vynálezu.

Obr.	9 znázorňuje čtvrtou možnost konstrukce
membrány^	používanou v elektrochemickém článku podle

vynálezu.

Obr.	10 znázorňuje pátou možnost konstrukce membrány.

používanou v elektrochemickém článku podle vynálezu.

Obr.	11 znázorňuje Šestou možnost konstrukce
membrány,	používanou v elektrochemickém článku podle

vynálezu.

Obr.	12 znázorňuje sedmou možnost konstrukce
membrány,	používanou v elektrochemickém Článku podle

vynálezu.

Obr.	13 znázorňuje osmou možnost konstrukce membrány,

používanou v elektrochemickém článku podle vynálezu.

• 4

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je elektrochemický článek podle vynálezu obsahující koaxiální vnější válcovou elektrodu X, vnitřní elektrodu 2 a keramickou membránu 2. jež je umístěna mezi nimi. Vnější elektroda X je hermeticky upevněna ve spodním dielektrickém pouzdru X a horním dielektrickém pouzdru 5., obsahujícím kanály pro přívod upravované vody a (nebo) vodních roztoků a jejich odvádění z komory vnější elektrody. Kanály končí na bočním povrchu pouzder a jsou vybaveny potrubními spoji. Spodní dielektrická sběrná hlavice 6 a horní dielektrická sběrná hlavice 7 obsahují kanály pro přívod upravované vody a (nebo) vodních roztoků a jejich odvádění z komory vnitřní elektrody 2Dielektrické sběrné hlavice Sí,7_ jsou připojeny k dielektrickým pouzdrům 4,5 spárovými spoji. Kanály hlavic také končí u bočního povrchu a jsou vybaveny potrubními spoji. V dielektrických sběrných hlavicích fž.,Z jsou také axiální kanály. Do axiálních kanálů ústí hroty vnitřní elektrody 2· Membrána 2 je upevněna v dielektrických sběrných hlavicích fi,Z pomocí těsnění 2 a jež je instalováno ve spárových spojích mezi pouzdrem a hlavicemi. Vnitřní elektroda 2 je upevněna pomocí pružného těsnění 10 a XX. Na hrotech vnitřní elektrody je závit, jímž se montují podložky 12 a 13 a matice XX a X5.· Sestavení a utěsnění článku se provádí po stanovení polohy hlavice přišroubováním matic a podložek pouzdra a hlavic k styčnému konci vnější elektrody 1 pomocí matic XX, 15 a podložek

12. 13.

Poloha a typ pružného těsnění 10 a XX závisí na konstrukci vnitřní elektrody. Když tvoří středová část vnitřní elektrody 2 a axiální kanál hlavice Z spárový spoj (obr. 2), je těsnění XX umístěno ve spárovém spoji, tzn. tam, kde vnitřní elektroda 2 a axiální kanál mění svůj průměr. V tomto případě je těsnění rozloženo jednotně, čímž se snižuje nebezpečí jeho deformace. Obdobně je těsnění 10 umístěno v hlavici 2·

Když tvoří středová část, vnitřní elektrody 2 a axiální kanál hlavice Z spárový spoj v místě spojení průměrů, obsahuje horní část elektrody 2 zářezy pro těsnění 11 (obr. 3). Vnitřní elektroda 2 je kombinací dutého válce 17 a plného hrotu 18 jak je znázorněno na obr. 3.

Je-li průměr axiálního kanálu hlavice Z roven průměru hrotů vnitřní elektrody 2, lze na koncových částech (obr. 4) vytvořit zářezy pro těsnění 11 nebo je axiální kanál hlavice na styčném konci širší, aby bylo možno umístit těsnění 11 a připojit podložky pro matice 16 (obr. 5).

Vnitřní elektroda je složena z variabilních částí.

Průměr hrotů elektrody nepřesahuje 0,75 průměru středové části elektrody. Při tomto vlastnosti optimální a lze v hlavicích pomocí různých poměru jsou hydrodynamické spolehlivě upevnit elektrodu pružných těsnění. Vnitřní elektroda může mít podobu plného válce nebo dutého válce s pevnými hroty, aby se docílilo požadovaného tvaru elektrody. Způsoby vzájemného spojení částí se mohou lišit v závislosti na použitém materiálu. K získání dostatečné trvanlivosti a spolehlivosti lze použít mechanické spojení či jiné typy spojení, jako je vakuové svařování nebo svařování laserovým paprskem. Při aplikaci duté elektrody se nejenže snižuje hmotnost zařízení a šetří materiál, ale je též možno se v průběhu elektrochemického procesu zaměřit s ohledem na měnící se podmínky nevytváření povrchového náboje na elektrodě. Vnitřní elektroda kromě toho funguje jako spojovací prvek, protože má na hrotech závit pro upevnění podložek a matic, čímž se článek spojuje dohromady a je zajištěno hermetické utěsnění i fixace hlavic v dané pracovní pozici.

Membrána je vyrobena z keramického materiálu na bázi oxidu zirkonia s přídavkem oxidu hliníku a oxidu yttrita a vyniká velkou odolností vůči kyselinám, alkalickým a agresivním plynům, má dlouhou životnost a snadno se regeneruje.

Rozličná aditiva umožňují přizpůsobení vlastností povrchu membrány a mají přímý vliv na • ···· 4* ·· 4· ·· ·· · ♦ 4 · 4 4 4 4 4 • * · · · * · 44 • · ♦ · · 4 · ··· 4 · • · · ♦ · 4 · « · • 44 ·· «4 ···· «· «· elektrochemický proces, který ke důležitý zejména tehdy, když se elektrochemický článek používá k výrobě určitého speciálního produktu. Membrána může být z různých materiálů podle toho, zda je určena pro ultraíiltraci, mikroíiltraci nebo nanoíiltraci v závislosti na řešeném problému.

Tvar membrány, stejně jako způsob instalace membrány, ovlivňují pracovní podmínky článku v souvislosti s průtokem upravované vody. Membrána může nabývat mnoha různých tvarů.

Jak je znázorněno na obr. 6 a 7, může být membrána 3. komolý kužel s konicitou 1: (100 - 1000) a s tloušťkou stěn od 0,4 mm do 0,8 mm po celé délce a může být instalována v článku buď základnou směřující dolů (obr. 6) nebo vzhůru (obr. 7).

Jak je znázorněno na obr. 8 a 9, může být vnější povrch membrány 3 ve tvaru válce a vnitřní povrch membrány ve tvaru kužele s konicitou 1= (100 - 1000) se základnou směřující dolů (Obr. 8) nebo vzhůru (obr. 9). Jinak, jak je znázorněno na obr. 10 a 11, může být vnitřní povrch membrány i ve tvaru válce a vnější povrch membrány ve tvaru kužele s konicitou 1: (100 - 1000) se základnou směřující dolů (obr. 10) nebo vzhůru (obr. 11). V obou případech je tloušťka stěny jednoho styčného konce 0,4 mm - 0,5 mm, tloušťka druhého styčného konce 0,7 mm - 0,8 mm a membrána je tedy instalována v článku styčném koncem silnější stěnou obrácenou dolů nebo vzhůru.

Jak je znázorněno na obr. 12 a 13, může být vnější i vnitřní povrch membrány 3 také vytvořen jako komolý kužel s konicitou 1: (100 - 1000). V tomto případě směřují vrcholy kuželů k obráceným stranám a tloušťka stěny odpovídá tloušťce jednoho styčného konce 0,4 mm - 0,5 mm a druhého 0,7 mm - 0,8 mm. Membrána je instalována v článku styčném koncem a silnější stěnou obrácenou dolů (obr. 12) nebo vzhůru (obr. 13). Při použití membrány s nižší hodnotou konicity se výsledky v porovnání s válcovou membránou nemění. Je-li použita membrány s vyšší hodnotou konicity nebo s větší tloušťkou stěny, je nutné změnit rozměry článku a zvýšit vzdálenost mezi elektrodami, což má za následek nárůst spotřeby energie v e1ektrochemi ckém procesu.

Menší tloušťka membrány, než je výše zmíněná.

způsobuje větší

1ámavost membrány, a tak se zkracuje její životnost a je znesnadněno skládání a rozkládání čiánku.

Elektrochemický proces je možno regulovat použitím membrán s různými profilem. Membrána je např. umístěna v článku takovým způsobem, že průřez komor pro procesy s větším rozpínámím plynu směrem odspodu vzhůru roste. Jinak je membrána instalována v článku tak, že se průřez komor směrem odspodu vzhůru zmenšuje, aby se podpořilo naplňování horní části článku plynem a klesla intenzita elektrochemické úpravy roztoku v posledním řezu článkem. Použití membrán, které mají variabilní profil jen pro jednu komoru (jeden povrch je kuželovitý a druhý válcovitý), umožňuje v průběhu procesu různé rozpínání plynu v obou komorách. Kromě toho lze takové membrány (stejně jako membrány, u nichž je vnější i vnitřní povrch kuželovitý a vrcholy kuželů směřují opačným směrem) lze aplikovat pro úpravu roztoků různé kvality a obsahu v elektrodových komorách článku.

Vnitřní a vnější povrchy membrány lze zkonstruovat jako válce s tloušťkou stěny 0,4 mm - 0,7 mm. Tento typ membrány je velmi účinný pro úpravy roztoků o vysokém stupni rozpuštění. Odchylka od geometricky správného povrchu membrány by v kterémkoli místě jejího povrchu neměla přesáhnout 0,05 mm. V opačném případě se mění podmínky pro vytvoření dvojité elektrické vrstvy na povrchu membrány a změní se též vliv elektrické dvouvrstvy na odpor membrány, což má za následek snížení kvality úpravy roztoků z důvodu nejednotného působení na povrch.

Membrána je upevněna pružným těsněním, které je umístěno v zářezech pouzdra, což zjednodušuje sestavení článku a zajišťuje koaxialitu.

Podstatné jeto, aby průměr středové části vnitřní elektrody byl vymezen vztahem:

2M<D<4M

- 12 • ···· ♦ ♦ · · * · «· • ♦ ♦ » · · ····· • · · · · · · ·· • 9 9 9 9 9 · 999 99

9 9 9 9 9 9 99

999 99 99 9999 99 99 kde D = průměr středové části vnitřní elektrody v mm, M = vzdálenost mezi elektrodami v mm.

Vzdálenost mezi elektrodami by měla být v rozmezí 2,8 mm až 3,3 mm. Když se tato vzdálenost zmenšuje, snižuje kapilární jev efektivitu elektrochemického procesu. Při zvětšení této vzdálenosti také vzroste spotřeba energie a nelze dosáhnout samoregru lační ho průběhu přeměny hmoty a energie.

Je také důležité, aby délka. středové části vnitřní elektrody byla buď kratší, než je délka vnější elektrody o hodnotu 2M, nebo větší než délka vnější elektrody o hodnotu minimálně

2M. Délka vnější elektrody se může pohybovat v rozmezí 50 mm až 240 mm, čímž je zajištěno optimální naplňování upravované kapaliny plynem za všech pracovních podmínek článku. R1

Vzájemná korelace rozměrů vnitřní a vnější elektrody je stanovena polaritou elektrod. Je-li vnější elektroda spojena se záporným pólem napěťového zdroje a vnitřní elektroda je spojena s kladným pólem napěťového zdroje, pak délka středové části vnitřní vnější elektrody minimálně o elektroda spojena s kladným elektrody přesáhne délku hodnotu 2M. Je-li vnější pólem napěťového zdroje a vnitřní elektroda je spojena se záporným pólem napěťového zdroje, je délka středové části vnitřní elektrody rovna nebo menší než délka vnější elektrody o hodnotu 2M.

V každém případě je vnitřní elektroda nainstalována v článku symetricky vzhledem k vnější elektrodě. Tato konstrukce brání opotřebení povlaku na elektrodách v místech s velkou intenzitou elektrického pole (koncentrací pole v místech měnícího se tvaru na hrotech). Přesné upevnění vnitřní elektrody je důležité pro správné fungování článku. Upevnění vnitřní elektrody v hlavicích pružným těsněním v axiálních kanálech hlavice zajišťuje přesnou koaxialitu a zároveň umožňuje poměrně jednoduché sestavování. Požadavku na koaxialitu elektrod vyhovují různé konstrukce článku. Přesáhne- li např. délka středové • · 4 · • · části dálku vnější elektrody, musí být vnitrní elektroda vyrobena tak dlouhá, aby vytvořila spárové spoje s axiálními kanály hlavice. Ve spárových spojích je umístěno pružné těsnění. Axiální kanály hlavice jsou vybaveny částí s proměnným prCřezem. To zajišťuje koaxialitu a eliminuje deformace pružného těsnění. Jinak vytvoří středová část vnitřní elektrody spárové spoje s axiálními kanály horní a spodní hlavice a pružné těsnění je instalováno do zářezů středové části vnitřní elektrody. Tato konstrukce usnadňuje sestavování. Je-li upevnění vnitřní elektrody provedeno v hlavicích provedeno obalením jejích hrotů (když je středová část menší než délka vnější elektrody nebo je středová část delší, ale nedosahuje až k pozici hlavic), pák se průměr axiálního kanálu hlavice rovná průměru hrotů vnitřní elektrody a pružné těsnění se umístí do zářezů, které jsou na povrchu hrotů vnitřní elektrody v kanálech axiálních hlavic. Jinak se průměr axiálních kanálů hlavic rovná průměru hrotů vnitřní elektrody a axiální kanály jsou na koncích hlavice širší, což umožňuje instalaci pružného těsnění i upnutí dalších součástí dielektrického pouzdra.

Voda je upravována, když prochází komorami článku ve směru odspodu vzhůru. Upravovaná voda a (nebo) roztok proudí komorami elektrody článku jednotlivě.

Vynález lze názorně objasnit na základě následujících příkladů, které však nevyčerpávají všechny možnosti vynálezu.

Není-li výslovně uvedeno, používá se ve všech příkladech ultrafiltrační keramická membrána (složení: oxid zirkonia - 60% hmoty, oxid hlinitý - 27% hmoty, oxid yttritý - 3% hmoty).

Příkladem 1 je článek pro dezinfekci vody. Vnější elektroda je spojena se záporným pólem napěťového zdroje a je vyrobena z leštěného titanu. Vnitřní elektroda je z titanu pokrytého vrstvou oxidu mangraniči tého a je spojena s kladným pólem zdroje napětí. Délka vnější elektrody je 80 mm. Vzdálenost mezi elektrodami činí 2,9 mm. Průměr *··· středové části vnitřní elektrody je 9,0 mm, délka středové části je 86 mm. Membrána je válcová s tloušťkou stěny 0,5 mm po celé délce. Hodnota mineralizace upravované vody činila 0,5 g/1. Množství mikroorganisme v upravované vodě bylo 10⁵ kolonií v 1 ml. Mineralizace vody zůstala stejná i po úpravě, avšak mikroorganismy byly odstraněny.

Závěrem lze konstatovat, že pro sterilizaci vody pomocí přenosných zařízení je vhodné použít článek s rozměry blížícími se minimálním hodnotám (jak je stanoveno vzorcem).

Příkladem 2 je článek pro výrobu dezinfekčního prostředku.

Vnější elektroda je spojena se záporným pólem napě ťové ho zdroje a je ze sklovitého uhlíku. Vnitřní elektroda je titanu, je pokryta povlakem z oxidu rutheni č i tého a připojena ke kladnému pólu napěťového

Zdroj e. Délka vnější elektrody je 240 mm. Délka středové části vnitřní elektrody je 250 mm. Průměr středové části je mm. Vzdálenost mezi elektrodami je 3 mm. Membrána je válcová s tloušťkou stěny 0,6 mm.

Upravovaný roztok byl chlorid sodný s koncentrací 2 g/1. Rychlost průtoku upravovaného roztoku komorou anody dosahovala 301 za hodinu a komorou katody 51 za hodinu. V důsledku toho byly získány dva roztoky s následujícími parametry:

- výstup z komory anody (anolyt): pH = 6,0, ORP - +800 mV,

- výstup z komory katody (katolyt): pH = 8,6, ORP = -600 mV.

Spotřeba energie se rovná 0,95 kW,hodina/m³.

Příkladem 3 je postup získání dezinfekčních prostředků pomocí článku. Byl proveden za stejných podmínek jako příklad 2, ale membrána měla podobu komolého kužele s konicitou 1:500 a šířkou stěny 0,7 mm konstantní po celé délce membrány. Membrána byla nainstalována základnou směřující vzhůru. Po zpracování vznikl anolyt s hodnotou pH = 5,5 a ORP = +900 mV a katolyt s hodnotami pH = 8,0 a ORP

-550 mV.

Příkladem 4 je proces, jak pomocí článku získat

		- 15 -	• ··»· ·· • · · · · · • · · · • · 9 · · • · · · · • · · ·· «· ·	·· ·· ·· • · · · * • · 9 ♦ ♦ • 9 99 9 9 9 9 9 9 9 999 99 99
dezinfekční prostředky	a mycí	roztok. Byl proveden za
stejných	podmínek jako	Příklad	2, ale vnější	povrch
membrány	měl podobu	válce a	vnitřní podobu	kužele

s tloušťkou stěny na horním styčném konci 0,5 mm a dolním styčném konci 0,8 mm. Šířka komory katody byla v celém článku konstantní, komora anody však byla náhorním konci širší. Výsledky úpravy následují: pH anolytu rovná se 5,6, ORP anolytu rovná se +900 mV, pH katolytu rovná se 8,7 a ORP katolytu rovná se —780 mV.

Příkladem 5 je článek, sloužící k získávání chlóru (směsi oxidačních činidel, zejména chlóru a kyslíku) prostřednictvím elektrolýzy vodního roztoku chloridu sodného. Vnější elektroda je z titanu s povlakem s oxidu ruthenia a je spojena s kladným pólem napěťového zdroje. Vnitřní elektroda (katoda) je z titanu je pokryta pyrografitem. Délka vnější elektrody je 240 mm. Délka Středové části vnitřní elektrody je 230 mm. Průměr středové části je 11 mm. Vzdálenost mezi elektrodami je 3,1 mm. Membrána je válcová s tloušťkou stěny 0,6 mm. Vodní roztok chloridu sodného s koncentrací 300 g/1 byl zaveden do komory anody a zde v článku upravován. Do komory katody byla zavedena a zde v článku upravována voda z vodovodního kohoutku s mineralizací 0,5 g/1. Voda a roztok byly upravovány při průtoku komorami článku odspoda vzhůru. Výsledkem bylo získání 10 1 plynu. Plyn obsahoval 70% chlóru, 20 % kysličníku chloričitého, 7% kyslíku a 3% zbytku (přídavných směsí). Stupeň konverze chlóru po průchodu článkem činil asi 30%.

Výstup z komory katody je hydroxid sodný s pH - 13. Tento roztok může být použit v galvanické výrobě a v dalších technologiích. Tyto příklady dokazují, že článek může být účinně využit pro výrobu chlóru.

Claims

Průmyslová využitelnost

Vynález zjednodušuje konstrukci článku, umožňuje společné umístění požadovaného množství článků v menSím prostoru, zjednodušuje systém upevnění elementů článku, je velmi spolehlivý, eliminuje vliv deformací elektrického pole v prostoru mezi elektrodami, a tím zvySuje životnost článku, rozSiřuje funkční možnosti článku, jelikož umožňuje v průběhu elektrochemického procesu regulovat naplňování elektrolytu plynem. Článek může být účinně využíván pro čistění a dezinfekci vody, pro získávání roztoků s předem stanovenými vlastnostmi a pro získávání produktů prostřednictvím elekrolýzy vodních roztoků.

····

a) vertikální válcovou vnitřní elektrodu s částí o proměnném průřezu, mající na každém konci středovou část a hrot, přičemž průměr žádného hrotu nepřesahuje 0,75 průměru středové části,

b) vertikální válcovou vnější elektrodu nainstalovanou kolem vnitřní elektrody,

c) koaxiální keramickou membránu se základním složením ze směsi oxidů zirkonia, hliníku a yttria, instalovanou v odděleném prostoru mezi elektrodami v elektrodové komoře článku,

d) elektrody jsou vyrobeny z materiálů, které jsou v průběhu elektrolýzy nerozpustné,

e) vnější elektroda je instalována ve spodním dielektrickém pouzdru a vrchním dielektrickém pouzdru, přičemž obě části mají na styčném konci spáry,

í) vnitřní elektroda i vnější elektroda jsou spojeny s kladným a záporným pólem napěťového zdroje, gr) článek dále obsahuje vrchní sběrací hlavici dielektrika a spodní sběrací hlavici dielektrika, Přičemž obě obsahují axiální kanál a každá sběrací hlavice byla nainstalována do spárů pouzdra a upravena tak, aby se zde mohla otáčet,

h) membrána je upevněna pružným těsněním zavedeným do spárů v pouzdrech,

i) průměr středové části vnitřní elektrody je definován rovnicí:
2M<D<4M, kde:

D = průměr středové části vnitřní elektrody v mm a

M = vzdálenost mezi elektrodami v mm,

j) délka středové části vnitřní elektrody je buď menší než délka vnější elektrody o hodnotu 2M, nebo větší než • 999

999 • 999 ··99 • · 99 ♦ 999 • 9 9 9 9· • ·9 ··99 délka vnější elektrody o hodnotu minimálně 2M,

k) vnitřní elektroda je upevněna ve sběracích hlavicích pružným těsněním instalovaným v axiálních kanálech hlavic a

l) spodní hlavice a vrchní hlavice a spodní pouzdro a vrchní pouzdro obsahují kanály, sloužící k přivádění upravované vody a (nebo) vodního roztoku do komor vnitřní a vnější elektrody a jejímu odvádění z komor vnitřní a vnější elektrody.

2. Článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že délka vnější elektrody je v rozsahu od 50 mm do 240 mm a vzdálenost mezi elektrodami je v rozsahu od 2,8 mm do 3,3 mm.
3. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 2, vyznačující se tím, že kanály pouzder a hlavic vedou k bočnímu povrchu a jsou vybaveny potrubními spoji.
4. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 3, vyznačující se tím, že membrána je vyrobena z keramického materiálu se základním složením ze skupiny skládající se z oxidů zirkonia, hliníku a yttria s přídavkem oxidů niobu, tantalu, titanu, gadolinia a hafnia.
5. Článek podle kteréhokoli z nároků 1-4, vyznačující se tím, že membrána má schopnost ultraíiltrace, mikroíiltrace nebo nanoíiltrace.

xz
6. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 5, vyznačující se tím, že membrána je ve tvaru komolého kužele s konicitou 1: (100 - 1000 ), má po celé jeho délce tloušťku stěn od 0,4 mm do 0,8 mm a je instalována v článku základnou směrem dolů nebo vzhůru.
7. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 5, vyznačující se tím, že vnější povrch membrány je válcový a vnitřní povrch je kuželovitý s konicitou • 999 9 • 99 •9 •9

9 99

99 99 9 (100 tloušťka stěny v prvním styčném konci ♦ · ·· • · ·· • ·« •99

9 99 • 99999

9999 •9 9 • · ·· ··

1000 je 0,4 mm

O, 5 mm a tloušťka stěny v druhém styčném konci je 0,7 mm

- 0,8 mm a membrána je instalována v článku spodním koncem širší stěnou obrácenou směrem dolů nebo směrem vzhůru.
8. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 5, vyznačující se tím, že vnější a vnitřní povrch membrány je komolý kužel s konicitou 1: (100 - 1000 ), vrcholy kuželů jsou na opačných koncích, tloušťka stěny v prvním styčném konci je 0,4 mm - 0,5 mm a tloušťka stěny v druhém styčném konci je 0,7 mm - 0,8 mm a membrána je instalována v článku spodním koncem širší stěnou obrácenou směrem dolů nebo směrem vzhůru.
9. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 5, vyznačující se tím, že vnější a vnitřní povrch membrány je válcovitý s tloušťkou stěny 0,4 mm - 0,7 mm.
10. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 9, vyznačující se tím, že odchylka od geometricky správného tvaru není v žádném místě po délce membrány věťší než 0,05 mm.
11. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 10, vyznačující se t,ím, že vnitrní elektroda je uvnitř plná nebo dutá.
12. článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 11, vyznačující se tím, že na hrotech vnitřní elektrody je závit a k upevnění se používají tlakové podložky a matice.
13. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 12, vyznačující se tím, že vnější elektroda je zapojena do záporného pólu napěťového zdroje, vnitřní elektroda je zapojena do kladného pólu napěťového zdroje, vnitřní elektroda je zkonstruována tak, že délka její středové části o velkém průměru přesahuje délku vnější elektrody

- 20 - • 0 · · 0 00 0« 00 0 · 0 • • 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ♦·· 0 0 000 • 0 0 0 0 00 0000 00 o hodnotu rovnající se minimálně dvoj násobku vzdálenost i mezi elektrodami a vnitřní elektroda je instalována v článku symetricky k vnější elektrodě.
14. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 -13, vyznačujíc!

se tím, že vnější elektroda je zapojena do kladného pólu napěťového zdroje, vnitřní elektroda je zapojena do záporného pólu napěťového zdroje, vnitřní elektroda je zkonstruována. tak, že délka. její středové části o velkém průměru je menší než délka vnější elektrody o hodnotu rovnající se dvojnásobku vzdálenosti mezi elektrodami a vnitřní elektroda je instalována v Článku symetricky k vnější elektrodě.
15. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 13, vyznačující se tím, že axiální kanál hlavice obsahuje část s proměnným průměrem, středová část vnitřní elektrody vytváří spárové spoje s axiálními kanály hlavice a ve spárových spojích je instalováno pružné těsnění.
16. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 13, vyznačující se tím. Že axiální kanál hlavice obsahuje část s proměnným průměrem, středová část vnitřní elektrody vytváří spárové spoje s axiálními kanály hlavice, středová oblast vnitřní elektrody tvoří spárové spoje s axiálními kanály hlavice, povrch vnitřní elektrody má zářezy ve spodní a vrchní Části své středové oblasti o velkém průměru a v zářezech je instalováno pružné těsnění.
17. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 14, vyznačující se tím, že průměr axiálního kanálu hlavice je roven průměru hrotů vnitřní elektrody, hroty vnitřní elektrody mají na povrchu zářezy a v zářezech je instalováno pružné těsnění.
18. Článek podle kteréhokoli z nároků 1 - 14 nebo 17, ···· vyznačující se tím, že průměr axiálních kanálů hlavice je roven průměru hrotů vnitřní elektrody a axiální kanály hlavice jsou širší na styčném konci hlavice, v rozšířeních je instalováno pružné těsnění a článek má dielektrická pouzdra, která jsou také umístěna v těchto rozšířeních a upevněna.