EA027702B1 - Электродиализный блок для обработки воды - Google Patents

Abstract

В изобретении представлен электродиализный блок 8, содержащий катоды 68, аноды 70 и мембраны 71, причем в электродном пакете катоды 68 и аноды 70 расположены поочередно с мембранами 71 между каждым катодом 68 и анодом 70, при этом каждый катод 68 и анод 70 выполнен из единой проводящей пластины таким образом, что обе поверхности катодных и анодных пластин, заключенных в электродном пакете, при работе находятся в проводящем контакте с водой, подвергаемой обработке.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к обработке воды с помощью электродиализа, например, для уничтожения микроорганизмов, предпочтительно к обработке морской воды, такой как балластная вода.

Предшествующий уровень техники

Балластной водой является вода, транспортируемая судами в цистернах для балластной воды или иногда в других подходящих местах, таких как грузовые трюмы или грузовые танки. В месторасположении, называемом донор, балластную воду закачивают в указанные резервуары вместо выгружаемого груза и/или выгружаемого/загружаемого топлива для компенсации изменения центра тяжести и, следовательно, для сохранения стабильности. Правильная балластировка необходима со структурной точки зрения и, кроме того, используется для повышения производительности с целью обеспечения надлежащего погружения винта и руля, надлежащего обзора с капитанского мостика, а также поддержания требуемого направления движения судна и характеристик управляемости. Балластная вода транспортируется в месторасположение, называемое реципиент, как правило, это точка, где на судно загружается груз, и которая потенциально находится вне биогеографического региона, в котором была загружена балластная вода. Затем она может быть выгружена вместо принимаемого на борт груза. При этом балластная вода может выступать в роли переносчика видового обилия, включающего зоопланктон, фитопланктон, бактерии и вирусы. Причем в точке выгрузки указанные виды могут не иметь естественных хищников, а потому адаптироваться и воспроизводиться на новом месте, вызывая значительные проблемы для окружающей среды, промышленности и здоровья человека.

Воду и, в частности, балластную воду желательно обрабатывать с целью уничтожения микроорганизмов или их активности, а также снижения или устранения других загрязняющих веществ.

Патентный документ νθ 2008/047084 описывает способ и устройство для обработки балластной воды, включающие использование электродиализа в мембранной ячейке. Электродиализ этого типа представляет собой процесс обработки текучей среды, основанный на разделении ионов посредством применения разности электрических потенциалов, постоянно или в импульсном режиме, между двумя электродами, разделенными ионообменной мембраной. Один электрод работает как анод (положительный заряд), привлекая отрицательно заряженные ионы, в то время как другой работает в качестве катода (отрицательного заряда), притягивая положительно заряженные ионы. Текучая среда в ячейке между мембраной и анодом характеризуется отрицательно заряженными ионами с избытком электронов и может упоминаться как рассол, в то время как текучая среда в ячейке между мембраной и катодом характеризуется наличием положительных ионов с дефицитом электронов и может упоминаться как дилюат.

В некоторых электродиализных процессах мембранные ячейки выполнены в конфигурации, называемой электродиализным пакетом, с чередующимися анионообменными и катионообменными мембранами, образующими мембранные ячейки, как правило, между отдельным анодом и катодом. Известными областями применения электродиализа являются крупномасштабное опреснение соленой, морской воды и производство соли, а также малое или среднемасштабное производство питьевой воды. Электродиализ также используется в обрабатывающей промышленности для отделения определенных загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы.

В раскрытии νθ 2008/047084 указано, что балластная вода обрабатывается путем отделения части балластной воды от основного потока, пропуска ее через мембранную ячейку и возврата продукта мембранной ячейки обратно в основной поток. Возвращенный продукт преимущественно является рассолом и оказывает эффект в виде уничтожения микроорганизмов или их активности в воде. Идея направления только части воды через блок электродиализной обработки и возвращения продукта мембранной ячейки в воду представляет собой усовершенствование в уровне техники, так как эффективная обработка воды достигается без необходимости пропускать весь поток воды через блок электродиализной обработки.

Таким образом, электродиализатор из νθ 2008/047084 обеспечивает выгодную модель электродиализной обработки для применения в сфере обработки воды, например обработки балластной воды. Однако дальнейшая работа в отношении использования электродиализной обработки такого типа для обработки морской воды, такой как балластная вода, выявила области, где могут быть сделаны усовершенствования.

Сущность изобретения

Пункты формулы настоящей заявки относятся к нижеуказанным аспектам с четвертого по шестой. Другие аспекты, представленные ниже, не заявлены в данной заявке и включены для объяснения других родственных изобретений.

С точки зрения первого аспекта настоящее изобретение обеспечивает электродиализный блок, содержащий катод, анод, мембрану, расположенную между указанными катодом и анодом, катодный проток для потока воды вдоль мембраны со стороны катода, анодный проток для потока воды вдоль мембраны со стороны анода и зону реакции, образованную между мембраной и катодом, где катод сближается с анодом, причем катодный проток выполнен с возможностью ламинарного течения в зоне реакции, при этом электродиализный блок содержит элементы режима потока, выполненные, чтобы способствовать ламинарному течению в потоке поступающей в катодный проток воды.

Морская вода не является беспримесным раствором воды с хлоридом натрия, и взамен содержит

- 1 027702 другие соли и соединения, которые приводят к вторичным реакциям в дополнение к хорошо известным реакциям хлорида натрия и воды. Например, магниевые соли могут образовывать около 3-4% соли в морской воде. Одной из обнаруженных вторичных реакций является образование брусита Мд(ОН)₂ со стороны катода электродиализного блока. Брусит имеет вид молочно белого клейкого вещества. Неожиданно, авторы настоящего изобретения обнаружили, что при использовании обычной морской воды процесс электродиализа образует указанное бруситовое вещество в электродиализном блоке, и что во внутренних потоковых каналах накапливаются бруситовые отложения. Данная проблема в предшествующем уровне техники не раскрыта. Электродиализный блок согласно данному аспекту включает признаки, направленные на решение указанной проблемы.

Как правило, обычные электродиализные блоки стремятся способствовать турбулентности и вторичным потокам, поскольку считается, что такой процесс перемешивания способствует электродиализным реакциям и ускоряет перемещение ионов через мембрану. Поэтому, обычно в известных устройствах ламинарное течение не используется и не применяется никаких мер для обеспечения ламинарного течения со стороны катода. Устройство настоящего изобретения основано на понимании того, что бруситовые отложения являются потенциальной проблемой, и что за счет включения структур, которые способствуют ламинарному течению, можно избежать накопления брусита. В обычных электродиализных блоках образование бруситовых отложений происходит благодаря турбулентности и неравномерным или вторичным потокам. В виду таких структур потока образуются мертвые зоны или зоны рециркуляции потока воды, в которых брусит оказывается в ловушке. Это позволяет бруситу агломерировать или коагулировать и создавать большие отложения.

Если же течение является ламинарным, то вторичных структур потока не образуется. За счет включения элементов, предназначенных, чтобы способствовать ламинарному течению до того, как вода попадет в зону реакции электродиализного блока согласно данному аспекту, шансы на агломерирование и коагулирование брусита и других загрязняющих веществ, которые могут быть образованы в зоне реакции, снижаются. Поддержание ламинарного течения через зону реакции снижает шансы загрязняющим веществам попасть в ловушку или застрять внутри устройства. Зона реакции представляет собой область электродиализного блока, в которой катод и анод сближаются в достаточной степени для совершения электродиализной реакции. Когда образование бруситовых отложений отсутствует, электродиализному блоку очистка требуется реже. При этом накопление других загрязняющих веществ также может быть снижено.

Предпочтительно элементы режима потока расположены так, чтобы способствовать ламинарному течению в области, предшествующей зоне реакции. В зоне реакции катодный проток может представлять собой прямосторонний проток, в целом постоянного размера. Области в протоке различной формы и размера предпочтительно находятся вне зоны реакции и предпочтительно на некотором расстоянии от зоны реакции.

Предпочтительно, чтобы в катодном протоке не было препятствий в зоне реакции. Это позволяет избежать образования турбулентности, которая, наоборот, возникает, когда вода течет через преграду. Как правило, электродиализный блок содержит разделительные элементы для поддержания заданного расстояния между мембраной и электродами. В предшествующем уровне техники указанные заданные расстояния присутствуют как на стороне анода, так и на стороне катода, для удержания мембраны в заданном положении. Предпочтительно электродиализный блок согласно данному аспекту не содержит разделительного элемента на стороне катода, то есть разделительные элементы могут находиться только на стороне анода ионообменной мембраны. Это позволяет избежать каких-либо препятствий в виде разделительных элементов на стороне катода и, следовательно, снижает турбулентность на стороне катода. Поскольку на стороне анода бруситовая реакция не происходит, то наличие разделительного элемента не создает никаких проблем, связанных с образованием турбулентности в анодном протоке.

В предпочтительном варианте электродиализный блок выполнен так, что расход потока через катодный проток выше, чем через анодный проток. Это предназначено для того, чтобы обеспечить более высокое давление на катодной стороне мембраны. Следовательно, предпочтительно, чтобы скорость потока через катодный проток была выше, чем через анодный проток. Объем потока через катодный проток может также быть больше объема потока через анодный проток. Более высокое давление через катодный проток служит для отталкивания мембраны от катода, что может снижать шансы на накопление бруситовых отложений на мембране. Более того, использование более высокого расхода потока, особенно в комбинации с ламинарным течением согласно данному аспекту, служит для смывания любых бруситовых отложений, которые могут возникнуть. Впускное отверстие для воды катодного протока (протоков) может быть больше, чем впускное отверстие для воды анодного протока (протоков). Если воду подавать под одинаковым давлением в оба впускных отверстия, то это приведет к необходимому увеличенному расходу потока; а если катодный проток (протоки) имел бы такую же площадь поперечного сечения, как анодный проток (протоки), скорость и объем потока были бы больше.

Электродиализный блок может включать элементы режима потока до зоны реакции для того, чтобы способствовать равномерному распределению поступающей воды по ширине катодного и/или анодного протока. В предпочтительном варианте катодный и анодный протоки образованы между электродами,

- 2 027702 имеющими форму пластины, и, следовательно, имеют удлиненное щелеобразное поперечное сечение. Поперечное сечение протока в форме узкой щели может способствовать ламинарному течению. Например, поперечными сечениями протоков могут быть щели с шириной от 1 до 4 мм, предпочтительно с шириной в 2 мм между электродом и мембраной. Щели, имеющие одинаковую ширину, могут быть поперечными сечениями катодного и анодного протоков. Элементы режима потока, используемые для обеспечения равномерного распределения поступающей воды по ширине щелеобразного поперечного сечения, способствуют ламинарному течению.

Элементы режима потока могут содержать каналы, перегородки и/или направляющие лопатки для равномерного распределения потока от одного или более впускных каналов для воды катодного/анодного протока. Поток поступающей воды предпочтительно равномерно разделяется по ширине катодного/анодного протока. В наиболее предпочтительном варианте элементы режима потока содержат проточные каналы, проходящие в форме веера от впускного канала к катодному/анодному протоку.

В предпочтительном варианте используется несколько повторяющихся катодных и анодных пластин, расположенных слоями в электродном пакете, с размещенными между каждым катодом и анодом мембранами. Это обеспечивает несколько электродиализных камер, сформированных параллельно, каждая со своими электродами, что увеличивает интенсивность, с которой вода может обрабатываться. Предпочтительно электродиализный блок содержит повторение последовательности катодной пластины, мембраны, анодной пластины, мембраны так, что используются обе стороны каждой электродной пластины (за исключением электродов на внешних концах повторяющейся последовательности). Таким образом, каждая катодная пластина в центральной части электродного пакета имеет катодный проток с каждой стороны пластины. Аналогично, каждая анодная пластина имеет анодный проток с каждой стороны.

Для того чтобы уменьшить дестабилизацию, когда вода течет в электродных протоках после элементов режима потока, передний край катода и/или анода предпочтительно содержит профилированный торец с увеличивающейся шириной. Такой профилированный торец может, например, включать клиновидную форму и/или изогнутую часть. После профилированного торца, катод/анод предпочтительно имеет форму пластины с постоянной шириной. Предпочтительной формой профилированного торца является симметричная форма клина с закругленным острием. Применение профилированного торца служит для того, чтобы аккуратно разделить поток по обе стороны электрода. Если электродиализный блок содержит разделительные элементы в анодном протоке, то эти разделительные элементы предпочтительно расположены после профилированного торца.

Профилированный торец катода и/или анода может быть образован путем формования материала электрода, например, механической обработкой. В качестве альтернативы профилированный торец может быть образован путем присоединения профилированного элемента, образованного из другого материала. Это выгодно, когда материал электрода является трудно и/или дорого производимым. Например, если используется титановый электрод. Профилированный торец может быть пластиковой вставкой, изготовленной методом литья.

Предпочтительно электродиализный блок выполнен так, что зона реакции не начинается до тех пор, пока вода не пройдет заданное расстояние вдоль катода. Это способствует ламинарному течению в катодном протоке через зону реакции. В предпочтительном варианте это достигается за счет катода, размещенного в протоке для воды, передний край которого находится на меньшем расстоянии от впускного отверстия, чем передний край анода. При такой конструкции поток воды через катодную пластину имеет возможность оседать до зоны реакции, поскольку электрическая реакция не начнется, пока поток не достигнет области, где анод и катод находятся достаточно близко друг к другу. Например, передний край катода может быть размещен на расстоянии от 20 до 60 мм ближе к впускному отверстию для воды, чем передний край анода. В предпочтительном варианте передний край катода размещен на расстоянии около 30 мм ближе к впускному отверстию для воды, чем передний край анода.

Поступающая вода может проходить заданное расстояние без помех после того, как элементы режима потока заканчиваются, и пока вода не достигнет катода или анода. Это невозмущенное течение помогает воде восстанавливаться от любых разрушающих действий, возникающих до предшествующих элементов режима потока или от места, где заканчиваются эти элементы режима потока. Например, вода может течь невозмущенно по меньшей мере 5 мм до достижения переднего края катода или анода, предпочтительно по меньшей мере 10 мм. Чем больше расстояние, тем больше шансов для потока приобрести ламинарную структуру течения. Однако, как правило, существует точка, в которой увеличение расстояния не обеспечивает соответствующего увеличения в равномерности структуры потока. Щель шириной около 2 мм обеспечивает хорошие результаты, когда вода протекает невозмущенно около 10 мм до того, как достигнет переднего края катода или анода. Когда электродиализный блок образован из повторяющихся катодных и анодных пластин, разделенных мембранами, область невозмущенного течения может быть выполнена как невозмущенный проток в пространстве между двумя мембранами, проходящий на заданное расстояние между мембранами, пока вода не достигнет переднего края катода или анода, расположенного между указанными двумя мембранами.

Если электродиализный блок включает слоистый электродный пакет, как описано выше, то элек- 3 027702 тродиализный блок предпочтительно содержит систему распределения потока для распределения поступающей воды в равных количествах к каждой электродной камере. Таким образом, электродиализный блок может включать систему распределения катодного потока для распределения поступающий воды в равных количествах к каждому впускному отверстию для катодной воды и систему распределения анодного потока для распределения поступающей воды в равных количествах к каждому впускному отверстию для анодной воды. Как отмечалось выше, расход потока воды у катодных протоков выше, чем у анодных протоков. Система распределения катодного потока обеспечивает, что катодные протоки и каждый из катодов снабжаются равным потоком воды. Анодные протоки аналогично снабжаются равным потоком воды.

Система распределения потока в наиболее предпочтительном варианте имеет вид впускного коллектора для анодных и/или катодных протоков, причем впускной коллектор содержит первую трубку, снабженную отверстиями по всей ее длине, которые соединены с протоками, и вторую трубку, расположенную и заключенную внутри первой трубки, при этом вторая трубка на одном конце имеет входное отверстие, а на другом конце выполнена глухой, и также снабжена отверстиями по всей ее длине, которые открываются в первую трубку. Дальнейшие особенности предпочтительного впускного коллектора рассмотрены ниже.

С точки зрения второго аспекта данное изобретение обеспечивает способ, включающий использование электродиализного блока, описанного выше, для обработки морской воды, предпочтительно обработки балластной воды.

С точки зрения третьего аспекта данное изобретение обеспечивает способ изготовления электродиализного блока, включающий этапы, на которых обеспечивают катод, анод, мембрану между указанными катодом и анодом, катодный проток для потока воды вдоль мембраны со стороны катода, анодный проток для потока воды вдоль мембраны со стороны анода, зону реакции, образованную между мембраной и катодом, где катод сближается с анодом; размещают катодный проток для ламинарного течения в зоне реакции; и размещают элементы режима потока в области потока поступающей воды для того, чтобы способствовать ламинарному течению в потоке поступающей воды, предшествующем зоне реакции.

Указанный способ может включать признаки электродиализного блока, как изложено выше в отношении предпочтительных признаков первого аспекта.

С точки зрения четвертого аспекта настоящее изобретение обеспечивает электродиализный блок, содержащий катоды, аноды и мембраны; причем в электродном пакете катоды и аноды расположены поочередно, с мембранами между каждым катодом и анодом; и при этом каждый катод и анод выполнен из единой проводящей пластины таким образом, что обе поверхности катодных и анодных пластин, заключенных в электродном пакете, при работе находятся в проводящем контакте с водой, подвергаемой обработке.

В обычных электродиализных блоках такого типа электроды изготовлены из двух титановых частей, припаянных к медным пруткам для образования слоистой структуры. Эти медные прутки затем выходят из электродиализного блока и используются для обеспечения соединений с основным источником электропитания. В электродиализных блоках данного аспекта для каждого электрода используется единая проводящая пластина. Как следствие, электродиализный блок может быть уменьшен и выполнен более компактно. Кроме того, поскольку проводящий материал, как правило, относительно дорог, сокращение числа используемых пластин приведет к снижению себестоимости. В предпочтительных вариантах электродиализного блока в качестве материала для катодных и анодных пластин используется титан.

Под единой проводящей пластиной понимается, что основная проводящая и электрически активная часть электрода выполнена из единой пластины, тогда как в предшествующем уровне техники это две пластины, о чем упоминалось выше. Электроды могут включать другие элементы в дополнение к единой проводящей пластине такие, как крепежные детали, профилированные концевые части и так далее.

Электроды могут быть расположены в непрерывном электродном пакете для формирования целого электродиализного блока. Однако такая конструкция пригодна для параллельного подключения всех электродов к электропитанию. Это может быть выгодно для того, чтобы обеспечить последовательное подключение частей электродиализного блока, например, для согласования импеданса с источником питания. Следовательно, в предпочтительном исполнении электродный пакет содержит наборы электродов, причем каждый электрод в отдельном наборе подключен параллельно, а каждый набор электродов подключен последовательно. Например, электродный пакет, состоящий из пятидесяти анодных камер и пятидесяти катодных камер, может состоять из пяти наборов, каждый из которых содержит десять анодных камер и десять катодных камер.

В центральных частях электродного пакета или каждого набора электродных камер обе поверхности каждой проводящей пластины находятся в электрическом контакте с водой так, что обе поверхности электродов используются в качестве активных поверхностей в электродиализном процессе. Электродиализный блок содержит повторение последовательности: катод, мембрана, анод, мембрана, причем используются обе стороны каждой электродной пластины, за исключением электродов на внешних концах. Электроды на внешних концах каждого набора электродов в электродном пакете предпочтительно являются катодами. В производстве катод может быть дешевле, чем анод, так как анодная реакция требует

- 4 027702 дорогих покрытий электрода. Таким образом, за счет использования дополнительных катодов в качестве концевых электродов (в реакции у которых используется только одна сторона электрода), электродиализный блок может быть удешевлен в производстве без снижения общей площади реакции.

Электрические соединения на электродах могут быть выполнены непосредственно на проводящем материале проводящих пластин. Предпочтительно, чтобы проводящие пластины могут выходить за пределы зоны реакции электродиализного блока для обеспечения точек электрического соединения.

В предпочтительном варианте проводящие пластины, образующие электроды, зажаты между непроводящими разделителями и поддерживаются ими. Разделители могут быть предназначены для разделения потока текучей среды по направлению в катодные и анодные протоки, а также по направлению из них. Разделители могут включать в себя отверстия, подвергающие проводящие пластины воздействию в зонах реакции. Мембраны могут быть размещены поперек этих отверстий между анодом и катодом для образования мембранной ячейки, в которой происходят электродиализные реакции.

Разделители предпочтительно включают в себя впускные каналы для поступающей воды и выпускные каналы для выходящего дилюата и рассола. Предпочтительно разделители также содержат направляющие потока, такие как элементы режима потока, как описано выше в отношении первого аспекта. Поскольку разделители включают направляющие потока они, как правило, имеют больший размер, чем проводящие пластины.

Предпочтительно проводящие пластины снабжены уплотнением, соединенным с указанными проводящими пластинами и образующим форму, соответствующую форме разделителей. Поскольку разделители больше, чем проводящие пластины, уплотнение может выходить за пределы краев проводящих пластин. Например, проводящие пластины в целом могут быть прямоугольными, а уплотнение может быть прикреплено с двух противоположных сторон прямоугольника, а затем выходить наружу за пределы двух других сторон прямоугольника. Когда проводящая пластина и уплотнение расположены между двумя разделителями, уплотнение образует изолированную электродную камеру. Два разделителя могут быть зажаты вокруг проводящей пластины посредством любых подходящих средств, например с помощью рамки, заключающей электродный пакет, или винтов, соединяющих вместе каждую пару разделителей.

Уплотнением может быть любой подходящий материал, то есть упругий и водостойкий материал. Предпочтительным является резиновый материал. Предпочтительно уплотнение содержит резиновый материал. Может быть использована резина высокой плотности, содержащая относительно высокий уровень наполнителя.

Было установлено, что надежно прикрепить уплотнение к электроду достаточно трудно, особенно если используется титановый электрод. В предпочтительном варианте эта проблема решается за счет использования термореактивной или вулканизированной резины, которая наносится на электрод до тепловой обработки, а затем приклеивается к электроду путем нагрева, и при необходимости герметизирования резины для выполнения термореактивного процесса или процесса вулканизации, в то время как резина находится в контакте с электродом. Поверхность электрода может быть предварительно обработана перед нанесением необработанной резины, например, путем травления или другого химического процесса.

Как обсуждалось выше в отношении первого аспекта, в предпочтительных вариантах используют различный расход потока для катода и анода. Следовательно, электродиализный блок по данному варианту предпочтительно включает разные конструкции разделителей для катода и анода. Это дает возможность использовать различные направляющие потока для анода и катода. Кроме того, поскольку в предпочтительных вариантах анод и катод могут иметь передние края, которые расположены на разном расстоянии от соответствующих впускных отверстий для воды, разные конструкции разделителей могут также обеспечить поддержку анодной и катодной пластин в заданных положениях.

В предпочтительных вариантах электродиализный блок включает в себя катодные камеры, содержащие первый и второй катодные разделители, расположенные по обе стороны катода, выполненного в виде проводящей пластины. Электродиализный блок может включать анодные камеры, содержащие первый и второй анодные разделители, расположенные по обе стороны анода, выполненного в виде проводящей пластины. Так, электродиализный блок может быть образован с помощью последовательности анодных и катодных камер, с мембранами между каждой камерой.

Разделители могут содержать сквозные отверстия, которые, когда несколько электродных камер вместе находятся в пакете, образуют впускные и выпускные каналы для воды. Может быть один или более анодный впускной канал и анодный выпускной канал. Аналогично, может быть один или более катодный впускной канал и катодный выпускной канал. В предпочтительном варианте, для обеспечения повышенного расхода потока через катод существует два катодных впускных канала, один анодный впускной канал, два катодных выпускных канала и один анодный выпускной канал, причем каждый канал выполнен приблизительно одного размера. Уплотнения предпочтительно выполнены около сквозных отверстий для поддержания разделения анодной текучей среды и катодных текучих сред. Трубки могут быть проложены вдоль сквозных отверстий всех разделителей в пакете для выполнения впускных и выпускных каналов. Трубками могут являться впускные коллекторы, как описано ниже. Преимущественно

- 5 027702 использование трубок вдоль сквозных отверстий может также служить для выравнивания камер в электродном пакете.

С точки зрения пятого аспекта данное изобретение обеспечивает способ, включающий использование электродиализного блока, описанного выше, для обработки морской воды, предпочтительно балластной воды.

С точки зрения шестого аспекта данное изобретение относится к способу изготовления электродиализатора, содержащего катоды, аноды и мембраны, при этом способ включает поочередное размещение катодов и анодов в электродном пакете, с мембранами между каждым катодом и анодом; при этом каждый катод и анод выполнен из единой проводящей пластины таким образом, что в электродном пакете обе поверхности катодных и анодных пластин при работе находятся в проводящем контакте с водой, подвергаемой обработке.

Способ может включать обеспечение уплотнения и соединение указанного уплотнения с проводящими пластинами. В предпочтительном варианте в качестве уплотнения используется термореактивная или вулканизированная резина, а способ включает нанесение резины на электрод до тепловой обработки, а затем приклеивание резины к электроду путем нагрева, и при необходимости герметизирования резины для выполнения термореактивного процесса или процесса вулканизации, в то время как резина находится в контакте с электродом. Поверхность электрода может быть предварительно обработана перед нанесением необработанной резины, например, путем травления или другого химического процесса.

Предпочтительно способ включает зажимание проводящих пластин и размещение уплотнения между непроводящими разделителями. Два разделителя могут быть зажаты вокруг проводящей пластины посредством любых подходящих средств, например с помощью рамки, заключающей электродный пакет, или винтов, соединяющих вместе каждую пару разделителей.

Разделители могут быть предназначены для разделения потока текучей среды в катодные и анодные протоки, а также из них. Разделители могут содержать отверстия, подвергающие проводящие пластины воздействию в зонах реакций. Предпочтительно способ включает размещение мембран поперек этих отверстий между анодом и катодом таким образом, что указанные мембраны расположены между соседними электродами.

Разделители могут включать сквозные отверстия, которые, когда несколько электродных камер вместе находятся в пакете, образуют впускные и выпускные каналы для воды. Может быть один или более анодный впускной канал и анодный выпускной канал. Аналогично, может быть один или более катодный впускной канал и катодный выпускной канал. Способ предпочтительно включает прокладывание трубок вдоль сквозных отверстий всех разделителей в пакете для выполнения впускных и выпускных каналов. Преимущественно использование трубок вдоль сквозных отверстий может также служить для выравнивания камер в электродном пакете.

Способ может включать этапы, как описано выше в отношении третьего аспекта. Способ может включать обеспечение других признаков электродиализного блока, как изложено выше в отношении предпочтительных признаков первого или четвертого аспекта.

С точки зрения седьмого аспекта данное изобретение обеспечивает электродиализный блок, содержащий катоды, аноды и мембраны; причем в электродном пакете катоды и аноды расположены поочередно, с мембранами между каждым катодом и анодом; анодные протоки, образованные между мембранами и анодами, и катодные протоки, образованные между мембранами и катодами; при этом электродиализный блок дополнительно содержит впускной коллектор для распределения воды к анодным протокам или к катодным протокам, содержащий первую трубку, снабженную отверстиями по всей ее длине, которые соединены с протоками, и вторую трубку, расположенную и заключенную внутри первой трубки, при этом вторая трубка на одном конце имеет входное отверстие, а на другом конце выполнена глухой, и также снабжена отверстиями по всей ее длине, которые открываются в первую трубку.

При использовании такой конструкции вложенных трубок, вода может быть равномерно распределена ко всем протокам по электродному пакету. При использовании, вода может течь через впускное отверстие второй трубки внутрь и по второй трубки, через отверстия второй трубки внутрь первой трубки, а после этого из первой трубки в электродный пакет. Такой маршрут воды и ограничения потока из отверстий, в целом, служат для поддержания постоянного давления по длине электродного пакета и, следовательно, вода равномерно подается ко всем анодным/катодным протокам.

Впускным коллектором может быть снабжен только катод или только анод, но предпочтительно, чтобы одинаковыми впускными коллекторами были снабжены и катод и анод. Как обсуждалось выше, предпочтительным является наличие более высокого расхода потока через катодные протоки, чем через анодные протоки. Поэтому, предпочтительно электродиализный блок содержит впускной коллектор для катодных протоков, который предназначен для более высокого расхода потока, чем впускной коллектор для анодных протоков. Это может обеспечиваться за счет большего коллектора. Однако предпочтительно электродиализный блок содержит два параллельных впускных коллектора для катодных протоков, параллельно подающих воду к протокам. Если есть только один подобный впускной коллектор для анодных протоков, то это обеспечивает примерно удвоение расхода потока для катодных протоков по сравнению с анодными протоками.

- 6 027702

Трубки коллектора предпочтительно имеют круглое сечение. Трубку круглого сечения легко получить и/или изготовить, а кроме того, она проста для формирования отверстий для установки коллектора круглого сечения. Тем не менее, трубки впускного коллектора не ограничиваются трубками круглого сечения и могут быть, например, трубками с прямоугольным поперечным сечением или трубками другой формы.

Отверстия первой трубки предпочтительно соединяются с протоками через направляющие потока, например элементы режима потока, как обсуждалось выше. Отверстия первой трубки могут иметь форму прорезей, расположенных поперек трубки.

Отверстиями второй трубки могут быть прорези, расположенные поперек трубки. Вторая трубка может иметь отверстия на первой стороне, обращенной к отверстиям первой трубки. Также могут быть дополнительные отверстия на противоположной стороне.

Предпочтительно вторая трубка расположена внутри первой трубки по центру, то есть первая и вторая трубки могут быть соосны.

В предпочтительном варианте аноды и катоды поддерживаются разделителями, а разделители снабжены сквозными отверстиями, причем впускной коллектор расположен вдоль сквозных отверстий в разделителях и предпочтительно отверстия в первой трубке открываются в направляющие потока, образованные в разделителях. Первой трубкой может быть трубка, образованная выравниванием сквозных отверстий в разделителях. Второй трубкой может быть трубка, помещенная внутрь первой трубки.

В предпочтительных вариантах электродиализный блок имеет признаки, как изложено выше в отношении первого или четвертого аспекта.

С точки зрения восьмого аспекта данное изобретение обеспечивает способ, включающий использование вышеописанного электродиализного блока для обработки морской воды, предпочтительно балластной воды.

С точки зрения девятого аспекта данное изобретение обеспечивает способ изготовления электродиализного блока, содержащего: катоды, аноды и мембраны; причем в электродном пакете катоды и аноды расположены поочередно, с мембранами между каждым катодом и анодом; анодные протоки, образованные между мембранами и анодами, и катодные протоки, образованные между мембранами и катодами; при этом способ дополнительно включает обеспечение впускного коллектора для распределения воды к анодным протокам или к катодным протокам, содержащего первую трубку, снабженную отверстиями по всей ее длине, и вторую трубку, имеющую на одном конце входное отверстие, а на другом конце выполненную глухой, и также снабженную отверстиями, причем способ дополнительно включает обеспечение первой трубки в электродном пакете так, что отверстия первой трубки соединяются с протоками, и размещение второй трубки внутри первой трубки так, что вторая трубка располагается и заключается внутри первой трубки, а отверстия второй трубки открываются в первую трубку.

В предпочтительном варианте аноды и катоды поддерживаются разделителями, а разделители снабжены сквозными отверстиями, причем способ включает обеспечение впускного коллектора в электродном пакете вдоль сквозных отверстий в разделителях.

Способ может включать этапы, как обсуждалось выше, в отношении третьего или шестого аспекта. Способ может включать обеспечение других признаков электродиализного блока, как изложено выше в отношении предпочтительных признаков первого или четвертого аспекта.

С точки зрения десятого аспекта данное изобретение обеспечивает электродиализный блок для обработки воды, содержащий мембранную ячейку, устройство контроля температуры для контроля температуры поступающей воды и нагреватель для повышения температуры поступающей воды прежде, чем она достигнет мембранной ячейки, причем нагреватель выполнен с возможностью повышать температуру поступающей воды, если изначальная температуры воды ниже заранее заданного уровня.

Было обнаружено, что температура поступающей воды ниже определенного уровня приводит к значительному увеличению электрической мощности, требуемой для приведения электродиализного блока в действие. Это увеличение в мощности может быть меньше, чем мощность, необходимая для нагрева воды. Следовательно, эффективность системы повышается за счет нагрева воды, когда изначальная температура слишком низкая.

Электродиализный блок предпочтительно предназначен для обработки морской воды, более предпочтительно для обработки балластной воды. Электродиализный блок может быть предназначен для установки на судне, таком как корабль.

Нагревателем может быть нагреватель с электрическим приводом или подогреватель топлива. Однако предпочтительно, чтобы нагреватель работал от тепла, которое может быть предоставлено, например, за счет отработанного тепла от системы охлаждения двигателя или тепла, восстановленного из выхлопных газов двигателя. Это дополнительно повышает эффективность. Нагреватель может включать теплообменник или аналогичное устройство.

В предпочтительном варианте нагреватель работает для повышения температуры поступающей воды, если изначальная температура воды ниже 10°С, более предпочтительно, если изначальная температура воды ниже 15°С, и еще более предпочтительно, если температура ниже 16°С. Было обнаружено, что для морской воды происходит значительное увеличение энергопотребления, если температура опускает- 7 027702 ся ниже 16°С. Предпочтительно воду нагревают выше 16°С, более предпочтительно по меньшей мере до 18°С и, при необходимости, до 20°С или выше. Было установлено, что для морской воды с температурой выше примерно 20°С значительного снижения энергопотребления не происходит.

С точки зрения одиннадцатого аспекта данное изобретение обеспечивает способ обработки воды с помощью электродиализа с использованием мембранной ячейки, причем метод включает: контроль температуры поступающей воды и повышение температуры поступающей воды прежде, чем она достигнет мембранной ячейки, если изначальная температура воды ниже заранее заданного уровня.

Предпочтительно указанный способ представляет собой способ обработки морской воды, более предпочтительно способ обработки балластной воды. Способ может быть предназначен для обработки балластной воды на борту судна, такого как корабль.

На этапе нагрева воды может использоваться нагреватель. Нагревателем может быть нагреватель с электрическим приводом или подогреватель топлива. Однако предпочтительно способ включает нагрев воды с помощью тепла, которое может быть предоставлено, например, за счет отработанного тепла от системы охлаждения двигателя или тепла, восстановленного из выхлопных газов двигателя.

Предпочтительный вариант указанного способа включает повышение температуры поступающей воды, если изначальная температура воды ниже 10°С, более предпочтительно, если изначальная температура воды ниже 15°С, и еще более предпочтительно, если температура ниже 16°С. Предпочтительно воду нагревают выше 16°С, более предпочтительно по меньшей мере до 18°С и, при необходимости, до 20°С или выше.

С точки зрения двенадцатого аспекта данное изобретение обеспечивает способ изготовления электродиализного блока, включающий обеспечение мембранной ячейки, обеспечение устройства контроля температуры для контроля температуры поступающей воды и обеспечение нагревателя для повышения температуры поступающей воды прежде, чем она достигнет мембранной ячейки, причем нагреватель выполнен с возможностью повышать температуру поступающей воды, если изначальная температура воды ниже заранее заданного уровня.

Электродиализный блок и способы по указанным аспектам и предпочтительным вариантам, описанным выше, могут быть скомбинированы. Электродиализные блоки по указанным аспектам и предпочтительным вариантам, описанным выше, могут включать один или более из следующих признаков и/или могут быть включены в устройство обработки воды, включающее любые из следующих признаков.

Мембраной может быть любая подходящая мембрана для использования в электродиализе воды, такая как водонепроницаемая ионообменная мембрана. При необходимости может быть использована ионно-селективная мембрана, например, если мембранная ячейка приводится в действие электричеством переменного тока.

Электродиализная обработка предпочтительно применяется только к части воды, подлежащей обработки, при этом часть, отделенная от основной массы воды, и продукт электродиализного блока возвращаются обратно к оставшейся воде для обработки всей воды. В предпочтительном устройстве обработки воды часть воды, обрабатываемая с помощью электродиализного блока, предпочтительно отделяется от потока поступающей воды непосредственно перед обработкой и затем проходит через электродиализный блок, в то время как оставшаяся вода проходит без обработки электродиализным блоком. Таким образом, устройство может включать основной проток, причем впускное отверстие протока выполнено с возможностью отделять часть потока из основного протока и направлять ее через электродиализный блок. В качестве альтернативного варианта, часть воды, обрабатываемая электродиализным блоком, может быть получена от отдельного источника, например внешнего источника рассола или соленой воды. В обоих случаях устройство может включать соединение от выпускного протока к главному протоку, причем выпускной проток добавляет продукт электродиализного блока в главный проток.

Вода, которая не подвергается обработке с помощью электродиализного блока, может быть подвергнута, фактически параллельно с электродиализной обработкой упомянутой части воды, другим видам обработки, например кавитационной обработке или инжекционной обработке азотом, как обсуждается более подробно ниже.

Предпочтительно менее 10 об.% от общего потока воды в устройстве обработки проходит через электродиализный блок, более предпочтительно менее 5 и еще более предпочтительно менее 2 об.%. Предпочтительна величина около 1,6 об.%, хотя могут использоваться величины ниже 1 или 0,5 об.% в зависимости от условий. Существует возможность управления необходимым объемом потока с помощью изменения тока, потребляемого электродиализным блоком и процентным содержанием соли в воде. Таким образом, в зависимости от этих факторов и от конкретного практического применения указанной обработки, используемый объем потока может быть увеличен или уменьшен.

В предпочтительных вариантах изобретение представляет собой устройство обработки балластной воды. Как обсуждалось выше, такой тип обработки воды, в частности, желателен для балластной воды. Многие существующие типы обработки воды не подходят для обработки балластной воды из-за большого объема воды, который необходимо обработать за короткое время. В силу того, что необходимо пропустить только часть воды через электродиализный блок, а оставшуюся воду не пропустить через электродиализный блок, указанная обработка может применяться к гораздо большему объему воды в задан- 8 027702 ное время, чем альтернативные варианты, которые требуют, чтобы непосредственно весь объем воды был подвергнут электрической обработке.

Электродиализный блок может быть предназначен для получения потока дилюата и потока рассола на катоде и аноде соответственно, а продукт электродиализного блока, возвращаемый в воду, состоит из части или из всего одного или обоих указанных потоков. Продукт электродиализного блока может легко быть частью или полностью потоком рассола, произведенного электродиализным блоком. Предпочтительно, однако, чтобы продукт электродиализного блока представлял собой смесь части или всего потока рассола, в идеале его основную часть, по меньшей мере с частью потока дилюата, в идеале меньшим его количеством, чем количество рассола. Поток рассола имеет повышенное содержание различных окислителей, которые, в частности, особенно эффективны для уничтожения микроорганизмов или их активности в воде, когда продукт электродиализного блока возвращается обратно в основной поток воды.

После электродиализной обработки рассол может иметь более низкий показатель рН, чем вода до обработки, а дилюат может иметь более высокий показатель рН. Смешивание рассола с частью или всем дилюатом позволяет регулировать показатель рН продукта электродиализного блока.

В предпочтительном варианте поток рассола и по меньшей мере часть потока дилюата незамедлительно смешиваются после прохождения через электродиализный блок. Это может быть осуществлено путем удаления части потока дилюата, а затем смешивания оставшегося дилюата с потоком рассола. Количество удаляемого дилюата может быть в диапазоне от 20 до 80 об.%. В альтернативных предпочтительных вариантах продукт электродиализного блока, возвращенный к основному потоку воды, представляет собой весь поток дилюата вместе со всем потоком рассола. Было обнаружено, что при некоторых условиях для обеспечения требуемого показателя рН и других характеристик конечного потока воды после того, как продукт электродиализного блока был примешен, требуется весь дилюат. В этом случае, дилюат и рассол могут вместе вступать в реакцию для уничтожения всех окислителей и химически активных продуктов в воде. Однако реакции, убивающие микроорганизмы, будут также происходить прежде, чем все окислители и химически активные продукты уничтожатся за счет реакции дилюата и рассола. Кроме того, электродиализный процесс не является полностью обратимым. Например, указанная реакция может производить газы, такие как водород и оксид хлора, которые выходят из воды.

Показатель рН контролируется для того, чтобы контролировать соотношение смешивания, а балансировка контролируется для поддержания показателя рН в заданном диапазоне. Контроль показателя рН может быть осуществлен с помощью рН-электрода. Предпочтительно показатель рН поддерживается на уровне ниже 6, например в диапазоне от 4 до 6, как правило, на уровне 5. Соотношение смешивания и показатель рН продукта электродиализного блока могут регулироваться путем изменения количества дилюата, добавленного к рассолу, например, путем изменения количества дилюата, удаленного перед смешиванием. Контроль за показателем рН может также осуществляться с помощью управления силой тока или напряжением, подаваемым на электродиализный блок, в результате чего изменяется сила суммарного электродиализного воздействия и, следовательно, изменяется сила окисления рассола.

Устройство может включать проток удаленного дилюата для удаления части потока дилюата. Для облегчения смешивания рассола и неудаленного дилюата устройство может включать область смешивания перед выпускным протоком. В одном предпочтительном варианте, областью смешивания является буферный резервуар. В качестве альтернативного варианта, рассол и дилюат могут быть смешаны, когда они текут через выпускной проток. Смешивание может происходить в то же самое время, когда поток рассола и неудаленная часть потока дилюата смешиваются с основным потоком, то есть продукт электродиализного блока может состоять из двух частей, которые смешиваются только, когда эти две части смешиваются с остальной водой. Статический смеситель или средства образования турбулентности в области смешивания или в выпускном протоке могут способствовать смешиванию.

Удаленный дилюат может быть введен обратно в поток выше по течению до электродиализного блока. Если устройство обработки воды включает другие стадии обработки, такие как кавитационная обработка или фильтрование, то остаток дилюата предпочтительно вводится обратно до других стадий обработки и даже до балластного насоса. Ввод обратно дилюата устраняет необходимость в избавлении от него. Дилюат также преимущественно служит в качестве очищающего средства, в частности, для процессов фильтрации, если он вводится до фильтрации.

Характеристики и количества рассола и дилюата, введенных обратно в основной поток, могут регулироваться посредством мониторинга окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и/или поглощения остаточного содержания окислителя (ОСО). Диапазоны желательных значений ОВП могут быть 250-800 мВ, более предпочтительно 300-500 мВ. После ввода, непосредственные начальные значения ОСО предпочтительно находятся в диапазон от 1 до 10 мг хлора/л, более предпочтительно от 2 до 5 мг хлора/л, быстро падая до 0.01-1 мг хлора/л обычно после периода от 1 до 36 ч. Расход ОСО строго зависит от характеристик обрабатываемой воды. Для оптимизации производительности электродиализного блока, желательно организовать цикл калибровки потока, обеспечивающий возможность предварительной настройки электрического тока и соотношений смешивания до начала реальной обработки воды. Если измеренные значения ОВП и/или ОСО находятся вне заданного диапазона, то режим работы электродиализного блока корректируется соответствующим образом.

- 9 027702

Для направления потока воды устройство может содержать трубопроводы, трубы, перегородки и тому подобное. Электродиализный блок может быть встроен в проток для основного потока воды и, таким образом, устройство может включать трубу основного потока или трубопровод для основного потока с меньшими трубками или каналами или тому подобными средствами для направления части основного потока через указанный блок. В качестве другого варианта, электродиализный блок может быть выполнен в виде автономного блока, который может быть подсоединен к существующему трубопроводу с водой для обработки в нем воды. В таком случае, устройство обработки может включать подходящие трубки или каналы для соединения автономного блока с существующим трубопроводом, вместе с клапанами, дозирующим насосом (насосами) и так далее, как потребуется.

Независимый источник рассола может быть использован для увеличения входного электролита электродиализного блока и увеличения процентного содержания соли в нем. Это может быть, например, рассол, полученный как побочный продукт при производстве пресной воды или на отдельной установке для производства рассола, такой как установка обратного осмоса. Установка рециркулирования с обратным осмосом может быть использована для производства насыщенного раствора рассола для применения в качестве добавки к входному электролиту. Добавка рассола или тому подобного раствора необходима, когда система используется для обработки свежей воды или слабо солоноватой воды, поскольку в противном случае электрическая обработка не будет эффективной из-за недостатка ионов в воде. Рассол может быть также добавлен к морской воде с низким содержанием соли для того, чтобы довести содержание соли электролита до более предпочтительного уровня. При более низком содержании соли требуется больший электрический ток для достижения электродиализным блоком такого же эффекта обработки. Следовательно, за счет увеличения содержания соли может быть получено снижение энергопотребления. Так, например, в Северном море соленость составляет 25 промилле или выше, в то время как в Балтийском море поверхностные воды имеют значительно более низкое процентное содержание соли, возможно, 7 промилле. Предпочтительно рассол добавляется к входному электролиту в электродиализном блоке для поддержания солености, по меньшей мере, на уровне в 25 промилле.

Предпочтительно вода хранится некоторый период времени в резервуаре или цистерне после обработки. За это время окислители и химически активные вещества продукта электродиализного блока воздействуют на все микроорганизмы и другие нежелательные вещества в воде. В особенно предпочтительном варианте данное изобретение используется для обработки балластной воды на кораблях, причем вода обрабатывается в момент, когда она набирается в балластные цистерны, а затем хранится в балластных цистернах до выгрузки. В таком случае, как правило, существует период времени хранения, когда корабль перемещается от порта к порту, перед повторной погрузкой груза и выгрузкой балластной воды. Это время может быть преимущественно затрачено на указанную обработку с помощью продукта электродиализного блока с целью получения желаемого результата.

Проток для обработки может быть образован с помощью трубопровода, являющегося внешним по отношению к основному протоку. Это позволяет легко приспосабливать существующий проток для воды для включения устройства обработки посредством добавления соответствующего впускного или выпускного соединения. В качестве альтернативного варианта, проток для обработки может быть объединен с основным протоком в виде единого блока.

Устройство обработки воды при необходимости может включать блок впрыска газа для впрыска газообразного азота в воду до или одновременно с вводом продукта электродиализного блока обратно в воду. В некоторых случаях, предпочтительно впрыскивать азот сразу после того, как продукт электродиализного блока будет введен обратно в воду. Считается, что азотирование воды предназначено для продления окислительной обработки, а также оказывает благоприятный эффект снижения коррозии.

Азот может быть впрыснут во всю или только в часть потока воды, как описано в патентной заявке \νϋ 2008/047084. Предпочтительно азот впрыскивают в количестве, достаточном для перенасыщения обрабатываемой воды азотом. В предпочтительном варианте, часть потока воды отделяется от основного потока, и в эту часть впрыскивается азот. Предпочтительно часть потока воды составляет менее 15% от всего объема потока воды. Когда азотосодержащий поток воды вводится обратно в основной поток воды, статический смеситель может быть использован для того, что способствовать смешиванию двух потоков воды.

Устройство обработки воды при необходимости может включать кавитационный блок для применения к воде кавитационной обработки. Использование кавитационного блока оказывает физическое воздействие на любые микроорганизмы и другие живые и неживые материи в воде и, таким образом, разрушает эти нежелательные элементы. Предпочтительно кавитационной блок устанавливается для обработки воды перед применением электродиализной обработки. Опциональная кавитационная обработка, таким образом, может применяться для уничтожения более крупных и сложных организмов, а также разрушения других нежелательных материй и, в частности, разрушения групп или скоплений микроорганизмов. Это может обеспечить предварительную обработку к результату обработки электродиализным блоком, поскольку поврежденный или ослабленный организм легче подвергается воздействию продуктом мембранной ячейки, и затем может обеспечить конечную ступень обработки, которая устраняет любые оставшиеся организмы и выполняется более эффективно, вследствие того, что крупноразмерные

- 10 027702 организмы и группы организмов были уничтожены.

Альтернативная предварительная обработка или дополнительная предварительная обработка, при необходимости, может быть обеспечена блоком электрической обработки, подающим к воде высокочастотный переменный электрический ток с частотой достаточно высокой для повреждения микроорганизмов в воде. Блок электрической обработки может содержать электроды, находящиеся в контакте с проточной водой. Достаточно высокой означает, что частота является достаточной высокой для обеспечения физического воздействия на микроорганизмы. Например, может быть использована частота по меньшей мере в 50 Гц, предпочтительно частота по меньшей мере в 500 Гц и еще более предпочтительно частота по меньшей мере в 1 кГц. Предпочтительно частота является достаточно высокой для повреждения или ослабления стенок клеток, мембран или ядер организмов.

Электроды могут быть подключены в 1-фазной или 3-фазной сети. Применяемая частота может быть, такой как переменная частота, например частотой развертки или спектром шумов. Предпочтительно используется умеренное напряжение, например для 1-фазной сети может быть использовано напряжение ниже 120 В. Отсутствие высоких напряжений позволяет избежать риска поражения электрическим током и других опасностей, связанных с высокими напряжениями.

Способы по различным вышеописанным аспектам могут в предпочтительных вариантах включать признаки, соответствующие предпочтительным признакам вышеописанного устройства. Способ может быть предназначен для обработки балластной воды и предпочтительно включать обработку воды, используемой для заполнения балластной цистерны в соответствии с любым вышеуказанным аспектом или предпочтительным вариантом; при необходимости, впрыскивание азота в воду; хранение обработанной воды в балластной цистерне; выгрузку воды из цистерны; при необходимости, обработку выгружаемой воды путем впрыскивание кислородосодержащего газа; при необходимости, повторного применения убивающих микроорганизмы действий к воде; и выгрузку воды в окружающую среду.

За счет обработки воды, так как она входит и покидает цистерну, риск хранения и выпуска нежелательных веществ, в частности микроорганизмов и других органических веществ, значительно снижается, поскольку различные стадии обработки приводят к ослаблению таких веществ до неопасного состояния. Дополнительное впрыскивание азота в воду, которая затем хранится, снижает коррозию балластной цистерны за счет снижения количества растворенного кислорода в воде. Кроме того, это снижает эрозию системы защиты от коррозии, такой как грунтовые покрытия и красочные покрытия, поскольку причиной эрозии является окисление.

Перечень фигур чертежей

Предпочтительные варианты настоящего изобретения далее будут описаны только в качестве примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

на фиг. 1 показана система обработки балластной воды с электродиализным блоком; на фиг. 2 показан электродиализный блок, содержащий пакет электродов; на фиг. 3 показана отдельная электродная камера, используемая в блоке с фиг. 2; на фиг. 4 показаны электродная пластина и уплотнение;

на фиг. 5 показан местный вид в разрезе электродиализного блока, на котором виден распределитель потока;

на фиг. 6 показан перспективный вид внутренней трубки распределителя потока; на фиг. 7 показан местный вид разделителя с элементами режима потока;

на фиг. 8 показан схематичный чертеж каркаса с более подробным видом распределителя потока и элементов режима потока;

на фиг. 9 показан поперечный разрез части двух катодных камер и одной анодной камеры, а также передние края электродов;

на фиг. 10 показана компьютерная модель графика скорости по каждой из катодных камер по электродному пакету, когда предпочтительный распределитель потока не используется;

на фиг. 11 показана компьютерная модель графика скорости по каждой из катодных камер по электродному пакету, когда предпочтительный распределитель потока используется;

на фиг. 12 показана компьютерная модель графика скорости по ширине катодного протока, когда предпочтительные элементы режима потока не используются;

на фиг. 13 показана компьютерная модель графика скорости по ширине катодного протока, когда предпочтительные элементы режима потока используются.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Схема решения с фиг. 1 использует электродиализный блок, входящий в состав системы обработки балластной воды, но должно быть понятно, что существуют другие варианты использования предпочтительного электродиализного блока, и что электродиализный блок может быть приспособлен для соответствия другим требованиям. В частности, следует понимать, что описанный здесь электродиализный блок может быть использован для обработки балластной воды, или для применений в обработки других вод, без необходимости сочетания с другими видами обработок, как показано на примерной схеме на фиг. 1.

Таким образом, на фиг. 1 показана система обработки балластной воды, включающая электродиализный блок 8. В данном примере, вода фильтруется, а затем обрабатывается кавитационным блоком 10,

- 11 027702 блоком 14 впрыска газа и электродиализным блоком 8. Эта последовательность обработок приводит к повреждению и смерти организмов в воде. Помимо воздействия на организмы в воде, азот, добавленный в воду блоком 14 впрыска газа, снижает уровень растворенного кислорода в воде и снижает вероятность повторного роста организмов, а также снижает эрозию покрытий и скорость коррозии. Кроме того, считается, что снижение содержания кислорода продлевает воздействие окислителей, введенных в воду посредством продукта электродиализного блока 8. При контролируемой газовой среде, когда балластные цистерны пусты, указанные воздействия усиливаются дополнительно за счет использования азота.

При заполнении балластных цистерн балластная вода закачивается из моря через впускную трубу 1 при помощи системы 2 балластного насоса корабля. После насоса 2 вода течет по трубе и фильтруется первым фильтром 4, который отфильтровывает из воды крупные частицы. Последние образуют осадок, который выгружается в момент загрузки балластной воды.

Ниже по течению от первого фильтра 4, при необходимости, может быть установлен напорный усилитель. Напорный усилитель может быть использован для поддержания уровня давления воды, необходимого для успешной обработки в последующих блоках, расположенных ниже по течению.

В данном примере вода затем продолжает течь в кавитационный блок 10. В кавитационном блоке 10 индуцируется гидродинамическая кавитация посредством быстрого ускорения скорости потока текучей среды, в результате которого статическое давление текучей среды быстро снижается до давления паров текучей среды. Далее это приводит к образованию пузырьков пара. Что после регулируемого периода времени обеспечивает рост пузырьков, а затем следует быстрое регулируемое снижение скорости. Это заставляет статическое давление текучей среды быстро расти, что вынуждает пузырьки пара с силой разрываться или лопаться, тем самым подвергая любые организмы и им подобное воде высокому давлению и температурным скачкам, которые разрушают организмы в воде.

После кавитационного блока 10 часть воды течет через электродиализный блок 8. Оставшаяся вода электродиализным блоком 8 не обрабатывается и может просто продолжить течь по трубе или водопроводу для дальнейших стадий обработки. В варианте с фиг. 1 электродиализный блок установлен снаружи основного проточного канала и, таким образом, может быть модернизирован для существующей системы обработки.

В альтернативных вариантах вместо или в дополнение к обработке электродиализным блоком 8 поступающей балластной воды, может быть использован другой источник 24 рассола или соленой воды в качестве входного электролита для электродиализного блока 8. Это может быть, например, рассол, получаемый в качестве побочного продукта при производстве пресной воды на корабле.

В предпочтительном варианте электродиализный блок 8 снабжен системой 9 контроля температуры. Она используется для того, чтобы температура воды, используемой электродиализным блоком 8, не опускалась ниже заданной температуры. Система 9 контроля температуры включает устройство 9а контроля температуры для контроля температуры поступающей воды и нагреватель 9Ь для повышения температуры поступающей воды прежде, чем она достигнет мембранной ячейки электродиализного блока 8. Нагреватель 9Ь выполнен с возможностью увеличивать температуру поступающей воды, если изначальная температура воды ниже заранее заданного уровня. В данном варианте заданный уровень составляет 16°С. Если температура поступающей воды ниже 16°С, то с помощью нагревателя вода нагревается примерно до 20°С. Нагреватель 9Ь использует тепло от двигателей судна.

Электродиализный блок 8, который далее описан более подробно со ссылкой на фиг. 2-9, производит поток 11 дилюата и поток 12 рассола. Эти два потока далее продвигаются к рН стабилизатору или смесителю 13, который производит продукт 17 электродиализного блока 8, направляемый обратно в основной поток воды, при этом, в зависимости от состава продукта 17, смеситель 13 может давать остаток 18 дилюата. Блок 13 смесителя включает насос или ему подобное устройство для регулирования количества дилюата 11, добавляемого к рассолу 12, для образования оптимального продукта 17 электродиализного блока 8.

Ниже по течению от места ввода продукта 17 электродиализного блока 8 находится точка 15 измерения и отбора проб, которая измеряет ОВП и/или ОСО и передает измеренные значения в блок 13 смесителя. Эти измерения отслеживают воздействие электродиализного блока 8 на воду и используются для управления блоком 13 смесителя, например, путем управления дозирующим насосом.

Остаток 18 дилюата может быть введен обратно в поступающий поток воды до всех стадий обработки, и предпочтительно также до фильтра 4 и/или насоса 2 для балластной воды. В качестве другого варианта остаток 18 может храниться в сборном баке 25 или цистерне 26 для трюмной воды корабля.

В показанной конструкции блок 14 впрыска газа обрабатывает воду после того, как продукт 17 электродиализного блока 8 будет возвращен обратно в основной поток. Однако в альтернативном варианте конструкции продукт 17 возвращается обратно в основной поток ниже по течению, чем находится блок 14 впрыска газа, в то время как блок 15 мониторинга, также находящийся ниже по потоку, чем блок 14 впрыска газа, контролирует состояния воды после добавления продукта 17.

В блоке 14 впрыска газа газообразный азот 16 впрыскивается в поступающую воду с помощью парового/азотного инжектора или водного/газового смесителя для того, чтобы обеспечить требуемый уровень перенасыщения воды азотом, который убивает организмы и снижает коррозию за счет снижения

- 12 027702 содержания кислорода. Это также продлевает результат воздействия окислителей в воде.

Ниже по течению от блоков обработки обработанная вода распределяется с помощью системы 23 трубопроводов для балластной воды корабля в цистерны для балластной воды. При этом откачивают избыточный газ до наступления устойчивого состояния. Оно регулируется посредством клапанов, установленных в системе вентиляции цистерн. Эти клапаны обеспечивают стабильное состояние в цистерне в течение всего периода, пока балластная вода остается в цистерне, в частности высокий уровень перенасыщения азотом и низкий уровень растворенного кислорода в воде. Поддержание уровня перенасыщения приводит к постоянной обработке воды, как за счет самого перенасыщения, так и за счет окислителей, введенных с помощью электродиализного блока 8. Таким образом, обработка имеет результат, выраженный в обработанной воде, которая продолжает убивать любые выжившие организмы или их активность, пока вода хранится в балластных цистернах.

Далее воду оставляют храниться в цистернах для балластной воды. При выгрузке балластной воды, вода проходит через разгрузочный процесс обработки, который возвращает содержание кислорода в воде до экологически приемлемого для выгрузки уровня. Вода выкачивается из балластных цистерн и проходит, по меньшей мере, блок 14 впрыска газа. Он используется для возврата кислорода в воду, то есть воздух в качестве впрыскиваемого газа заменяет азот. При необходимости, при выгрузке вода может быть повторно обработана кавитационным блоком 10.

Далее будет пояснен принцип работы электродиализного блока 8. Ниже описывается вариант конструктивного построения электродиализного блока 8 со ссылкой на фиг. 2-9. Как обсуждалось выше, электродиализ это электронно-мембранный процесс, в котором в системе с текучей средой происходит перенос ионов через ионообменные мембраны. В простейшем варианте осуществления электродиализного блока между двумя электродами помещается единственная мембрана. Электрический заряд, установленный путем подачи напряжения между электродами, позволяет ионам перейти через мембрану при условии, что текучая среда является проводящей. Напряжение подается посредством точек подключения к сети питания обычного типа, которые не показаны на чертежах. Два электрода представляют собой соответственно анод и катод. Электрический заряд создает различные реакции на разных электродах. На аноде, электролит будет иметь свойство кислотности, в то время как на катоде электролит будет становиться щелочным. Мембраны, используемые в электродиализе, выбираются по способности обеспечивать ионный обмен, при этом оставаясь непроницаемыми для текучей среды. Что обеспечивает сохранение щелочного раствора отдельно от кислотного раствора.

Различные реакции, которые протекают в электродиализной мембранной ячейке, в которой поступающим электролитом является балластная вода (т.е. морская вода), взятая из трубопровода для балластной воды, показаны ниже в табл. 1. Она включает реакцию на стороне катода, которая образует брусит (Мд(ОН)₂). Поскольку в воде могут присутствовать различные компоненты помимо натриевых и магниевых солей, также будут происходить другие реакции.

Таблица 1

Реакции на аноде:	Реакции на катоде:
2СГ - 2е -^С12	2Н2О + 2Ыа+ + 2е 2ЫаОН + Н2
2Н2О-4е—>4Н+ + О2	2Н2О + 2е Н2 + 2ОН'
С12 + Н2О НСЮ + НС1	О2 + е —> О2
НС1 + ЫаОН ЫаС1 + Н2	о2-+ н+^ но2
СГ + 2ОН'- 2е-> СЮ'+ Н2О	О2 + Н2О + 2е НО2- + ОН'
ЗОН’ - 2е НО2- + Н2О	О2 + 2Н2 + 2е Н2О2 + 2ОН'
НО2‘ - е -^НО2	Н+ + Н·
ОН'-е^ОН·	Н, + Н·^ н2
ОН, + ОН’^ Н2О2	он,+он·^ н2о2
нею + н2о2 ^нс1 + о2 + н2о	н2о2 + он·^ но2 + н2о
сю+ н2о2 Шо2 + сг+ н2о	Н2О2 θ Н+ + НО2‘ Η2Ο2 + ΟΗ·θΗΟ2'+ Н2О он- + но2- θ о2 2’ + н2о О2 2'+ Н2О2^О2' + ОН' + ОН ОН + Н2О2 -Н2О ОН’ + НСОз- + Са2+ = СаСОз + Н2О 2ОН' + Мд2+ = Мд(ОН)2

Ниже в табл. 2 показаны типичные свойства кислотного раствора, получаемого на аноде, и щелочного раствора, получаемого на катоде. Кислотный раствор образует поток рассола, а щелочной раствор образует поток дилюата.

- 13 027702

Таблица 2

	РН	ОСО (мг хлора/литр)	ОВП (мВ)
Кислотный раствор (на аноде)	2-4	400-1200	1100- 1200
Щелочной раствор (на катоде)	11 - 14	...	800 - 900

Два разделенных потока смешиваются в соотношении, обеспечивающем продукт электродиализного блока и, при необходимости, остаток с типичными характеристиками, указанными в табл. 3. Продуктом, главным образом, является рассол от анода, возможно с добавлением дилюата для регулирования значения показателя рН. Остаток будет образован из любого дилюата, не смешанного с продуктом. В предпочтительном варианте осуществления электродиализной обработки, показатель рН продукта обычно находится в диапазоне 4-6, а обработка воды происходит в расширенном рН диапазоне, приведенном ниже.

Продукт

Остаток

Таблица 3

РН	ОСО (мг хлора/литр)	ОВП (мВ)
2-8.5	400-1000	750 - 800
8.5-14		800 - 900

Для адаптации химических характеристик обоих потоков может быть применена перекрестная обработка. Для этого может быть образована конструкция, обеспечивающая введение всего или части одного из или обоих потоков обратно на вход в ячейку, противоположную ячейке, из которой указанный весь или часть одного из или обоих потоков поступил. Таким образом, поток рассола, произведенный анодом, может быть перекрестно обработан за счет введения обратно в поток со стороны катода электродиализного блока. С помощью данного способа могут быть дополнительно адаптированы характеристики потока (потоков), выраженные показателями рН, ОВП и ОСО, а также обеспечена возможность снизить количество остаточного дилюата после смешивания, если смешивание дополнительно применялось.

Соотношение смешивания зависит от качества необработанного электролита, размера электродов и поданной мощности.

Продукт электродиализного блока входит в поток балластной воды на пересечении с точкой впрыска азота Ν₂, предпочтительно непосредственно за, и таким образом вводится в воду на пересечении с процессом перенасыщения/удаления кислорода. Остаток, если таковой имеется, вводится в основной поток выше по течению перед фильтром.

Фиг. 2-9 показывают вариант электродиализного блока 8, который может быть использован для обработки воды. Электродиализный блок может быть использован в системе обработки балластной воды с фиг. 1 или в любой другой соответствующей системе обработки воды. Он также может быть использован в одиночку для результата обработки, или, в качестве альтернативного варианта, может быть использован в комбинации с другими устройствами обработки воды.

На фиг. 2 показан электродиализный блок 8, содержащий пакет электродных камер 30, зажатых между двумя торцевыми пластинами 32. Электродный пакет зажат между торцевыми пластинами 32 с помощью винтов 34. Электродные камеры 30 помещены вместе в наборах из десяти мембранных ячеек, разделенных изолирующими слоями. Наборы электродных камер 30 и пластиковые изолирующие слои можно увидеть более отчетливо на фиг. 5. Электродные камеры 30 расположены в наборах таким образом, чтобы обеспечить возможность последовательного подключения нескольких наборов камер 30. Вода поступает в электродный пакет через катодное впускное отверстие 50 для воды и анодное впускное отверстие 52 для воды у основания электродных камер 30 и затем проходит вверх через анодные и катодные камеры. На фиг. 2 впускные отверстия 50, 52 для воды находятся с обратной стороны электродиализного блока 8, но их можно увидеть на фиг. 5, на которой блок 8 показан с противоположной стороны. Поток 11 дилюата катодной реакции и поток 12 рассола анодной реакции выходят из электродного пакета через выпускные отверстия 38 для дилюата и выпускное отверстие 36 для рассола. Как обсуждалось выше, предпочтительно иметь более высокий расход потока со стороны катода, и, таким образом, предпочтительный вариант включает две впускные трубы для воды для катодной стороны и, следовательно, две выпускные трубы 38 для дилюата, лишь с единственным выпускным отверстием 36 для рассола. Также на фиг. 2 показаны открытые концы 40 электродов и плата 42 электрических соединений для подачи электропитания к электродам.

На фиг. 3 показана отдельная электродная камера 30. Блок 8 с фиг. 2 состоит из большого числа таких электродных камер 30, которые вместе образуют пакет. Электродная камера 30 включает в себя титановую электродную пластину 44, расположенную между двумя разделителями 46 и поддерживаемую ими, причем указанные разделители 46 расположены по одному с каждой стороны электрода 44. Резиновое уплотнение 48 проходит кругом по внешнему краю разделителей 46 и обеспечивает водонепроницаемый барьер, изолирующий электродную камеру. Открытые концы 40 электродов выходят за пределы резинового уплотнения 48 так, что электрические соединения 42 могут быть выполнены за пределами

- 14 027702 зоны реакции.

Вода поступает в электродную камеру 30 через сквозные отверстия 54 на одном конце и выходит через сквозные отверстия 54 на другом конце. Сквозные отверстия 54 находятся в жидкостной связи с соответствующими впускными 50, 52 и выпускными 36, 38 отверстиями для воды. Каждый разделитель 46 имеет сквозные отверстия 54 для каждого из трех впускных 50, 52 и выпускных 36, 38 отверстий. В электродной камере 30 разделители 46 снабжены направляющими потока для направления воды от соответствующего впускного отверстия для воды к соответствующему выпускному отверстию для воды. Таким образом, катодная электродная камера содержит направляющие потока для получения воды из катодных впускных отверстий 50 через два крайних сквозных отверстия 54 на внутренней стороне, непосредственно пропускает ее через катод, а затем пропускает дилюат катодной реакции через дополнительные направляющие потока к крайним отверстиям 54 на наружной стороне и, следовательно, к выпускным отверстиям 38 для дилюата. Анодная электродная камера содержит направляющие потока для получения воды из анодного впускного отверстия 52 через центральное сквозное отверстие 54 на внутренней стороне, непосредственно пропуская ее через анод, а затем пропускает рассол анодной реакции через дополнительные направляющие потока к центральному отверстию 54 на наружной стороне и, следовательно, к выпускному отверстию 36 для рассола.

На фиг. 4 показана электродная пластина 44 и уплотнение 48 до присоединения разделителей 46. Резиновое уплотнение 48 крепится к электродной пластине 44 с двух сторон, как показано на указанном чертеже. Уплотнение 48 также находится на передней и задней поверхностях электродной пластины 44. Открытые концы 40 электродной пластины 44 выходят за пределы уплотнения по одной стороне электродной пластины для возможности выполнения электрического соединения, как указано выше.

Фиг. 5 представляет собой местный вид в разрезе электродиализного блока, показывающий подробно распределитель 56 потока для одного из катодных впускных отверстий 52. На фиг. 5 также более подробно показаны пять наборов мембранных ячеек, разделенных пластиковыми изолирующими слоями. Конструкция мембранных ячеек более подробно описана ниже со ссылкой на фиг. 9. На фиг. 5 одна из торцевых пластин 32 и каждая из электродных камер 30 частично разрезаны для того, чтобы показать канал круглого сечения, образованный за счет выровненных соосно сквозных отверстий 54 (также частично разрезаны). Этот канал круглого сечения образует первую трубку 58 распределителя 56 потока. Первую трубку 58 можно увидеть более подробно на чертеже каркаса с фиг. 8, который показывает более подробно организацию потока текучей среды для катодов. Распределитель 56 потока также содержит вторую трубку 60, расположенную соосно сквозным отверстиям 54. На фиг. 5 эта вторая трубка 60 вставлена в одно из катодных впускных отверстий 50, но не показана в другом катодном впускном отверстии 50 или анодном впускном отверстии 52. Когда электродиализный блок 8 собран, в каждом впускном отверстии для воды находится вторая трубка 60, установленная соосно с каждым набором сквозных отверстий 54.

Вторая трубка 60 содержит отверстия 62 по всей ее длине. Эти отверстия 62 имеют форму поперечных прорезей на двух сторонах второй трубки 60 и размещены на верхней и нижней сторонах второй трубки 60, когда она вставлена в первую трубку 58.

Фиг. 6 представляет собой перспективный вид второй трубки 60 распределителя 56 потока и показывает ее более подробно, в том числе отверстия 62 на второй, нижней, стороне второй трубки 60.

На фиг. 7А, которая является местным видом нижней части катодного разделителя 46', показаны элементы 64 режима потока в разделителе 46' катодной камеры. Элементы 64 режима потока предназначены для равномерного распределения потока по ширине катодного протока.

Три сквозных отверстия 54 совпадают со сквозными отверстиями 54 в других разделителях 46 в электродном пакете для формирования первых трубок 58 распределителей потока. Вторые трубки 60, которые не показаны на фиг. 7, помещаются в соосно выровненные сквозные отверстия 54, при этом отверстия 62 во вторых трубках 60 дают возможность воде проходить в первые трубки 58. На фиг. 7А, поскольку разделитель 46 предназначен для катодной камеры, крайние сквозные отверстия 54 открыты для катодных протоков, в то время как центральное сквозное отверстие 54 герметизировано для предотвращения попадания воды из анодного впускного отверстия 52 в катодную камеру. Эта герметизация может быть обеспечена посредством кольцевого уплотнения, размещенного вокруг центрального сквозного отверстия. Кольцевые уплотнения, следовательно, должны быть сформированы в первых трубках 58 на двух крайних сквозных отверстиях 54 для предотвращения попадания воды из впускных отверстий 50 для воды по трубкам 60, 58, а затем через элементы 64 режима потока в катодную зону реакции.

Элементы 64 режима потока имеют форму каналов, проходящих в форме веера от сквозных отверстий 54 для равномерного распределения воды по всей ширине катодного протока. Каналы утоплены в разделитель 46' и отделены друг от друга стенками 66. Когда два разделителя 46', образующие катодную камеру, соединены вместе, стенки 66 на каждом разделителе 46' обращены друг к другу и взаимодействуют таким образом, что каналы герметизируются. Каждый канал имеет концевую часть, которая параллельна направлению потока в катодном протоке. Это помогает снизить турбулентность и способствует ламинарному течению.

Фиг. 7В представляет собой схожий местный вид разделителя 46 для анодной камеры. Этот анод- 15 027702 ный разделитель содержит элементы 65 режима потока для анодного протока. Как и в случае с элементами 64 режима катодного потока, элементы 65 режима анодного потока имеют форму каналов, проходящих в форме веера от сквозного отверстия 54, для равномерного распределения воды по всей ширине Л анодного протока. Поскольку в анодный проток поступает вода только из одного центрального сквозного отверстия 54, элементы 65 режима анодного потока расходятся веером под большим углом, чем элементы 64 режима катодного потока. Это дает возможность воде из распределителя 56 потока в центральном отверстии 54 равномерно распределиться по анодному протоку. При этом два крайних сквозных отверстия должны быть герметизированы, например, посредством кольцевого уплотнения, для предотвращения попадания воды из системы водоснабжения катода. Элементы 65 режима анодного потока представляют собой утопленные каналы, разделенные стенками 67. Элементы режима потока анодного разделителя 46 проходят на большее расстояние от сквозных отверстий 54, поскольку передний край анода расположен на большем расстоянии от впускного отверстия для воды, что обсуждается более подробно ниже со ссылкой на фиг. 9.

Фиг. 8 представляет собой схематичный чертеж каркаса, показывающий более подробно распределитель 56 потока и элементы 64 режима потока для катодных протоков в электродном пакете. Детализация элементов 64 режима потока опущена для ясности, но веерообразные формы видны. Каждая катодная камера имеет два симметричных набора элементов 64 режима потока, которые соединяются аналогичным образом с двумя распределителями 56 потока через два крайних сквозных отверстия 54 разделителей 46. Как обсуждалось выше, сквозные отверстия 54 выровнены соосно для образования первой трубки 58 распределителя 56 потока. Первая трубка 58 соединяется с каждым набором элементов 64 режима потока через отверстия на верхней стороне. Вторая трубка 60, расположенная соосно внутри первой трубки 58, подает воду к первой трубке 58 из двух катодных впускных отверстий 50. Вода проходит между первой трубкой 58 и второй трубкой 60 через прорезеобразные отверстия 62 в верхней и нижней поверхностях второй трубки.

Две трубки распределителя 56 потока служат для распределения воды в равных количества к каждой катодной камере по длине электродного пакета 30. Элементы 64 режима потока обеспечивают равномерное распределение воды по ширине Л каждого катодного протока, а также способствуют ламинарному течению в катодных протоках.

Устройство анодной камеры аналогично показанному на фиг. 8, но вода распределяется, не от двух крайних сквозных отверстий 54, а только от центрального сквозного отверстия 54. Вода анодного протока проходит через распределитель 56 потока, конструкция которого идентична конструкции вышеописанного распределителя 56 потока, посредством первой 58 и второй 60 трубок. Этот распределитель 56 потока образован с помощью первой трубки 58, образованной за счет соосно выровненных центральных сквозных отверстий 54, которые подсоединяются к анодному впускному отверстию 52 для воды.

После того как поступающая вода проходит через распределители 56 потока и преодолевает элементы 64, 65 режима потока, она течет по катодным и анодным протокам в катодных и анодных камерах. В этот момент, как описано ниже со ссылкой на фиг. 10-13, вода распределяется в равных количествах в каждый проток по электродному пакету и равномерно распределяется по ширине Л каждого протока. Распределение воды в равных количествах обеспечивает равную скорость реакции на каждой мембранной ячейке в электродном пакете. Равномерное распределение воды по ширине Л каждого протока означает, что реакция протекает равномерно по ширине электродов, а также способствует ламинарному течению в катодных протоках.

Фиг. 9 представляет собой поперечный разрез части двух катодных камер 68 и одной анодной камеры 70 в точке, где вода поступает в катодные камеры и анодную камеру. Мембрана 71 расположена между электродами для образования мембранных ячеек. Данный чертеж показывает частичный поперечный разрез двух целых мембранных ячеек (с обеих сторон анода 70) и двух нецелых мембранных ячеек (на внешних сторонах катодов 68).

На фиг. 9 показаны дополнительные особенности, предназначенные способствовать ламинарному течению в электродных камерах, особенно, в зоне реакции катодного протока. Поступающая вода катодных протоков 72 поступает от элементов 64 режима потока разделителей 46', как указано стрелкой С. Вода для анодных протоков 74 поступает от элементов 65 режима потока, как указано стрелкой А. Поток воды через элементы 64, 65 режима потока поступает в два протока 72, 74, которые проходят вдоль каждой из двух сторон соответствующих катода 68 или анода 70.

Вода на выходе из элементов 64, 65 режима потока может протекать заданное расстояние, на котором поток невозмущен, прежде чем поток аккуратно разделится на два равных потока, которые поступают в протоки 72, 74 по обе стороны электродов. Это заданное расстояние помогает потоку восстановиться от любых разрушающих действий, которые могут возникнуть от предшествующих направляющих потока. Аккуратное деление потока достигается за счет формы переднего края 76 электрода, который имеет клиновидную форму, чтобы минимизировать турбулентность. Заданное расстояние невозмущенного потока в предпочтительном варианте составляет около 10 мм.

Следует отметить, что передний край 76 анода 70 размещен на большем расстоянии от впускного отверстия для воды, чем передний край 76 катода 68. Электродиализный блок выполнен так, что вода

- 16 027702 проходит дополнительное заданное расстояние X на катоде прежде, чем подвергнется электрической обработке в зоне реакции. Это дополнительное расстояние X обеспечивает рассеивание любой остаточной турбулентности и помогает потока приобретать ламинарное течение до того, как морская вода подвергнется какому-либо электрическому току. Это обеспечивается за счет использования разных длин анода 70 и катода 68, позволяющих компенсировать катод/анодную конфигурацию. В предпочтительной конструкции, показанной здесь, это заданное расстояние X составляет около 30 мм с зазором в 2 мм между катодом 68 и мембраной. Зона реакции начинается, когда оба и анод 70 и катод 68 находятся в достаточной близости, в данном случае это будет после расстояния X, как отмечено на чертеже. В зоне реакции возникает электродиализ и, когда вода проходит по анодным 74 и катодным 72 протоков в зону реакции, происходит ионный обмен через мембраны 71, генерируя при этом кислотный рассол на стороне анода и щелочной дилюат на стороне катода, как описано выше. Рассол и дилюат выходят из электродиализного блока через выпускные отверстия 36, 38 и используются для обработки воды путем смешивания рассола с частью или всем дилюатом, чтобы обеспечить продукт электродиализного блока, который опасен для микроорганизмов.

На каждой стороне анода 70 в анодном протоке 74 расположен разделительный элемент 78. В катодных протоках 72 разделительные элементы для устранения турбулентности отсутствуют. В катодных протоках 72 режим потока обеспечивается за счет элементов 64 режима потока. Течение этого потока становится более ламинарным, когда он проходит через 10 мм область невозмущенного течения, после которой он делится посредством клиновидного торца 76 катода 68. Затем вода течет по катодным протокам 72 на дополнительное расстояние в 30 мм, которое служит, чтобы дополнительно способствовать ламинарному течению. К тому времени, как поступающая вода входит в зону реакции в катодных протоках 72, поток, как правило, является ламинарным. Как обсуждалось выше, этот ламинарный поток позволяет избежать образований бруситовых отложений, а также помогает избежать образования других загрязняющих веществ.

Как обсуждалось выше, предпочтительный электродиализный блок состоит из нескольких наборов мембранных ячеек, каждый из которых образован пятью анодами и шестью катодами, при этом катоды расположены на внешних концах. При такой конструкции внешние катоды имеют только одну активную сторону с одним протоком по внутренней стороне катодов. Внешние поверхности внешних катодов не активны и закрыты для предотвращения утечки воды.

С помощью компьютерного моделирования были проиллюстрированы полезные результаты предпочтительных вариантов изобретения.

На фиг. 10 и 11 показан результат системы двухтрубного распределителя потока. На фиг. 10 показана компьютерная модель графика скорости по каждой из катодных камер по электродному пакету, когда предпочтительный распределитель 56 потока не используется, в то время как на фиг. 11 показана компьютерная модель графика скорости по каждой из катодных камер по электродному пакету, когда предпочтительный распределитель 56 потока используется. На графиках по вертикальной оси показана скорость потока, а по горизонтальной оси показано расстояние от катодного впускного отверстия 50 для воды до катодного протока 72 на конце электродного пакета. Как видно при сравнении чертежей, когда распределитель 56 потока не используется, скорость потока в катодном протоке 72 на большем расстоянии от впускного отверстия 50 для воды существенно выше. А когда распределитель 56 потока используется, вода распределяется по длине электродного пакета значительно равномернее.

На фиг. 12 и 13 показан результат воздействия элементов 64 режима потока на поток воды через катодные протоки 72. На фиг. 12 показана компьютерная модель графика скорости по ширине катодного протока, когда предпочтительные элементы 64 режима потока не включены, и вместо этого вода проходит через веерообразную область без каналов 64 или стенок 66. На фиг. 13 показана компьютерная модель графика скорости по ширине катодного протока, когда предпочтительные элементы 64 режима потока включены. По вертикальной оси показана скорость потока, а по горизонтальной оси показано расстояние по ширине катодного протока 72. Вероятно, на каждом графике пики иллюстрируют скорость в точках по ширине катодного протока 72. Резкие провалы присутствуют за счет воздействия элементами режима потока на выходе из камеры, которые вскоре рассеивается. Как видно, когда средний поток через камеру исследован, каналы 64 и стенки 66 обеспечивают более равномерное распределение скорости и тем самым потока по ширине катодного протока 72. Когда предпочтительные элементы режима потока не включены, скорость и, следовательно, поток менее равномерны, что, таким образом, приводит к турбулентности и вторичным потокам в последующих участках катодного протока 72.

Claims (14)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Электродиализный блок, содержащий катоды, аноды и мембраны; причем в электродном пакете катоды и аноды расположены поочередно, при этом между каждым катодом и анодом расположена мембрана; при этом каждый катод и анод выполнен из единой проводящей пластины таким образом, что обе поверхности катодных и анодных пластин, заключенных в электродном пакете, при работе находятся в проводящем контакте с водой, подвергаемой обработке, отличающийся тем, что проводящие пластины, образующие электроды, зажаты между непроводящими поддерживающими пластинами, причем поддерживающие пластины содержат отверстия, проходящие поперечно лицевым сторонам соседних проводящих пластин в зонах реакции, при этом мембраны размещены поперечно к этим отверстиям между анодом и катодом для образования мембранных ячеек, при этом проводящие пластины поддерживаются поддерживающими пластинами так, что обеспечивают распределение потока текучей среды у мембранной ячейки по направлению в катодные и анодные протоки, а также по направлению из них, и тем, что проводящие пластины снабжены уплотнением, соединенным с указанными проводящими пластинами и образующим форму, соответствующую форме внешнего края поддерживающих пластин, причем указанное уплотнение выходит за пределы краев проводящей пластины и контактирует с поддерживающими пластинами на каждой стороне проводящей пластины для формирования герметичной электродной камеры вокруг проводящей пластины, при этом поддерживающие пластины содержат сквозные отверстия, через которые вода может входить в соответствующую электродную камеру либо из анодных протоков, либо из катодных протоков, и выходить из нее соответственно в анодные или катодные протоки.
2. 2. Электродиализный блок по п.1, отличающийся тем, что электрические соединения на электродах выполнены непосредственно на проводящем материале проводящих пластин.
3. 3. Электродиализный блок по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что проводящие пластины выходят за пределы зоны реакции электродиализного блока для обеспечения точек электрического соединения.
4. 4. Электродиализный блок по п.1, отличающийся тем, что поддерживающие пластины содержат направляющие потока для обеспечения равномерного и/или ламинарного течения в катодных и/или анодных протоках.
5. 5. Электродиализный блок по п.1, отличающийся тем, что содержит поддерживающие пластины разных конструкций для катода и анода.
6. 6. Электродиализный блок по п.5, отличающийся тем, что разные катодные и анодные поддерживающие пластины содержат различные направляющие потока и/или обеспечивают различные расходы потока для катодных и анодных протоков.
7. 7. Электродиализный блок по п.5 или 6, отличающийся тем, что поддерживающие пластины разных конструкций поддерживают анод и катод в различных положениях, когда они установлены в электродном пакете.
8. 8. Электродиализный блок по любому из пп.1, 4-7, отличающийся тем, что включает катодные камеры, содержащие первый и второй катодные поддерживающие пластины, расположенные по обе стороны катода, выполненного в виде проводящей пластины, и анодные камеры, содержащие первый и второй анодные поддерживающие пластины, расположенные по обе стороны анода, выполненного в виде проводящей пластины, причем электродиализный блок содержит последовательность анодных и катодных камер с мембранами между каждой из указанных камер.
9. 9. Электродиализный блок по любому из пп.1, 4-8, отличающийся тем, что поддерживающие пластины содержат сквозные отверстия, которые выровнены соосно в электродном пакете, для образования впускных и выпускных каналов для воды.
10. 10. Электродиализный блок по п.9, отличающийся тем, что содержит два катодных впускных канала, один анодный впускной канал, два катодных выпускных канала и один анодный выпускной канал, причем каждый канал выполнен приблизительно одного размера для того, чтобы обеспечить повышенный расход потока через катодные протоки.
11. 11. Электродиализный блок по п.9 или 10, отличающийся тем, что около сквозных отверстий выполнены уплотнения для поддержания разделения анодной текучей среды и катодных текучих сред.
12. 12. Способ обработки морской воды для уничтожения микроорганизмов, предпочтительно балластной воды, включающий использование электродиализного блока по любому из предыдущих пунктов.
13. 13. Способ изготовления электродиализного блока по п.1, содержащего катоды, аноды и мембраны, согласно которому поочередно размещают катоды и аноды в электродном пакете, причем между каждым катодом и анодом размещают мембрану; при этом каждый катод и анод выполнен из единой проводящей пластины таким образом, что в электродном пакете обе поверхности катодных и анодных пластин при работе находятся в проводящем контакте с водой, подвергаемой обработке; причем проводящие пластины, образующие электроды, зажаты между непроводящими поддерживающими пластинами и поддерживаются ими таким образом, что обеспечено разделение потока текучей среды по направлению в катодные и анодные протоки, а также по направлению из них; при этом проводящие пластины снабжены уплотне- 18 027702 нием, соединенным с указанными проводящими пластинами и образующим форму, соответствующую форме внешнего края поддерживающих пластин, причем указанное уплотнение выходит за пределы краев проводящей пластины и контактирует с поддерживающими пластинами на каждой стороне проводящей пластины для формирования изолированной электродной камеры вокруг проводящей пластины; и выполняют в поддерживающих пластинах отверстия, подвергающие проводящие пластины воздействию в зонах реакции, и размещают мембраны поперечно к этим отверстиям между анодом и катодом так, что мембраны располагаются между соседними электродами.
14. 14. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве уплотнения используется термореактивная или вулканизированная резина, и тем, что способ включает нанесение резины на электрод до тепловой обработки с последующим склеиванием резины с электродом путем проведения термореактивного процесса или процесса вулканизации, в то время как резина находится в контакте с электродом.