HU205738B - Process for water softening by electrochemical treatment, as well as electrolyzer for carrying out the process - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás vízlágyításra, valamint elektrolizáló azeljárás foganatosítására.

A találmány víz elektrokémiai kezelésére alkalmazható.

Ismert olyan eljárás vízlágyításra, amelynek során vegyi reagenseket, pl. meszet mésztej formában visznek a lágyítandó vízbe. Ennek során a keménységnövelő sók oldhatatlan állapotba mennek át és csapadékként ülepítéssel vagy szűréssel távolíthatók el a lágyítandó vízből, ilyen jellegű megoldást ismertet a „Sztroitelnye normy i pravíla vodosznabzsenie, Naruzsnye szeti i sooruzsenia” (SNiB 84. 04. 02., 1985. Moszkva) a 108-109. oldalán.

Az ismert eljárás alkalmazásával a vízlágyítás nem kielégítő mértékű. Csak további szerek, pl. szóda hozzáadásával és a víz 35-40 °C-ra való felmelegítésével csökkenthető a maradékkeménység 0,5-1,0 mg/1 értékűre.

Ezenfelül az ismert eljárás a reagensek tárolására, előkészítésére való berendezéseket, keverőket, továbbá a víz és a koagulálőszerek számára derítőberendezéseket igényel. Ez azt jelenti, hogy a vegyi reagensek alkalmazásával történő vízlágyítás megvalósítása bonyolult rendszert igényel, amely nagyszámú egyedi berendezést tartalmaz.

A „Wodosnabzhenije i sanitamaja technika” (4. szám, 1982, 7-8. oldal) című folyóirat olyan eljárást ismertet vízlágyításra, amelynek során a vizet elektrokémiai kezelésnek vetik alá, amikor is a vizet két áramban porózus választófallal ellátott elektrolizálón vezetik át, az egyik áramot az anődkamrán - ennek során anolit képződik -, a másik áramot pedig a katódkamrán vezetik át, és ennek során katolit képződik, amelyből a csapadékként lecsapódó keménységnövelő sókat elkülönítik. Ezt követőén a katolitot az anolittal egyesítik és az egyesített áram képezi a készterméket Ezen ismert eljárás alkalmazásával a vízkeménység csupán 0,8-1,2 mg/1 értékűre csökkenthető. Ez azt jelenti, hogy ez az eljárás csupán előtisztítást biztosít a nátrium-kationcserélő eljárás szerinti vízlágyítás előtt, amelynek során a lágyítandó vizet választófalas elektrolizálóban történő kezelése után ioncserélő berendezésbe vezetik, ahol a vizet a nátrium-kationcserélő eljárással kezelik.

Az ismertetett eljárás foganatosításához vegyileg tiszta NaCl és HC1 szükséges, ami az eljárás költségeit lényegesen növeli. Ezenfelül az eljárás nagy mennyiségű lágyítandó vizet igényel az iszapmentesítéshez. Ezen eljárást rendszerint olyan víz lágyítására alkalmazzák, amelynek keménysége viszonylag kicsi.

A 882 944 lajstromszámú SU szabadalmi leírásból ismert olyan elektrolizáló vízlágyításra, amely elektrolizáló házzal van ellátva, ahol a ház porózus válaszfallal átfolyási kamrákra van felosztva, éspedig anóddal ellátott anódkamrára és katőddal ellátott katódkamrára. Az anód- és a katódlemezek, amelyek egy-egy oldalról villamos szigetelőrétegen keresztül a válaszfalhoz vannak szorítva. Az anód, a katód és a villamos szigetelőrétegek lyukakkal vannak kialakítva.

Ezen ismert elektrolizálóra jellemző, hogy az anódkamrában történő tisztítás minősége nem kielégítő, mivel az anód a kationoknak az anódkamrából a katódkamrába való átjutását megakadályozza, az anód a pozitív töltésű ionokat eltaszítja. Ez azt jelenti, hogy az ilyen típusú elektrolizálók lényegében a pH- érték elektrokoagulátoraként működnek. Ezenfelül ezen elektrolizáló előállítása és szerelése nagy pontosságot követel a koaxiális lyukak kialakításakor, mivel a lyukak esetleg elcsúszás következtében egymást átfedhetik és ezáltal a válaszfal munkafelülete csökken.

A lyukak belsejében a legnagyobb az elektrolízis intenzitása a minimális villamos ellenállás miatt, ami különösen nagy vastagságú elektródok esetén, pl. grafitelektródok alkalmazása esetén jelentős. Ezen jelenség viszont a válaszfal elektrolízistermékekkel való eliszaposodásához vezet a lyukak körül, aminek következtében az elektrolizáló működésének megbízhatósága csökken.

A találmány révén megoldandó feladat abban van, hogy elektrokémiai kezeléssel történő vízlágyításra olyan eljárást hozzunk létre, amelynek kezelési szakaszainak sorrendje lehetővé teszi, hogy járulékos szerek alkalmazása nélkül egyetlenegy lágyítási fokozatban 0,2-0,3 mg/1 keménységű vizet nyerjünk.

Atalálmány feladata továbbá, hogy az eljárás foganatosítására olyan elektrolizálót hozzunk létre, amelynek katódja úgy van felépítve, hogy a katód lyukainak az elektrokémiai vízlágyítás során előforduló eliszaposodását lényegesen csökkenti, aminek eredményeként a vízlágyítás minősége javul.

A feladat megoldására elektrokémiai kezeléssel való vízlágyításra olyan eljárást hoztunk létre, amikor is az egyik áramot anolitot képezve anődkamrán, a másik áramot pedig katolitot képezve katódkamrán vezetjük át, a katolitból a csapadékként kicsapódó keményokozó sókat elkülönítjük, amikor is a találmány szerint a vízáramot az anódkamrába való beáramoltatása előtt előlágyításnak vetjük alá, ahol ezen áram a keménységnövelő sók csapadékának elkülönítése utáni katolitáramnak legalább egy részét tartalmazza, az anolitot pedig végtermékként alkalmazzuk.

A feladat megoldására vízlágyításra továbbá olyan elektrolizálót hoztunk létre, amelynek porózus válaszfallal átfolyási kamrákra - anóddal ellátott anódkamrára és katőddal ellátott katódkamrára - felosztott háza van, ahol a katód a porózus válaszfalhoz van szorítva, és köztük villamos szigetelőréteg van, a villamos szigetelőrétegben és a katődban pedig lyukak vannak kialakítva, ahol a találmány szerint az anód a porózus válaszfaltól meghatározott távolságban van elrendezve, a katódban és a villamos szigetelőrétegben kialakított lyukak a vízáram áramlási irányára hozzávetőlegesen merőleges irányú hasítékok, a katódnak a katódkamra belsejébe mutató felületén pedig a hasítékok között azok hosszirányában hosszúkás nyúlványok vannak kiképezve, amelyeknek az áram áramlási irányában elsőként elhelyezkedő felületei a porózus válaszfal felületéhez képest 20-40%os szögben vannak hajlítva.

HU 205 738 Β

A válaszfal munkafelülete növelhető, ha a nyúlványok testében átmenőnyílások vannak kiképezve, amelyeknek tengelyei a porózus válaszfal felületével derékszöget bezáróan vannak elrendezve.

A találmány szerint megvalósított eljárással vízkezelésre való járulékos eszközök, intézkedések, pl. nátrium-kationcserélő eljárás alkalmazása nélkül egyetlen egy kezelési szakaszban 0,2-0,3 mg/1 keménységű víz nyerhető.

A találmány szerinti eljárás technológiailag egyszerű és megbízható.

A találmány szerint kialakított, és a találmány szerinti eljárás foganatosítására szolgáló elektrolízáló egyszerű felépítésű, nagy teljesítményű és megbízható működésű.

Az anódnak a porózus válaszfaltól meghatározott távolságban való elrendezése lehetővé teszi, hogy a kationok az anódkamrából akadálymentesen a porózus válaszfalon keresztül a katódkamrába jussanak, ahol a vízáram előlágyítása a katódkamrán való átáramoltatásával történik. A lyukaknak hasíték alakú kiképzése és a köztük lévő, a víz áramlási irányában elhelyezkedő áramvonalas, hajlított felületű nyúlványok elősegítik az elektrolízistermékeknek a porózus válaszfal felületéről való hatékony eltávolítását öblítéssel, mivel a találmány révén a lyukak környezetében az áram számára lényegesen javított hidrodinamikai viszonyokat hoztunk létre. A nyúlványok testében kialakított átmenőnyílások a porózus válaszfal munkafelületét, és ennek következtében az elektrolízáló teljesítményét növelik. A találmányt az alábbiakban konkrét példa kapcsán a mellékelt rajzra való hivatkozással részletesebben is ismertetjük, ahol a rajzon az

1. ábra a találmány szerint kialakított, vízlágyításra szolgáló elektrolízáló hosszmetszete, a

2. ábra az 1. ábra Π-II vonala mentén vett metszete, a

3. ábra az 1. ábra ΗΙ-ΠΙ vonala mentén vett metszete, a

4. ábra a találmány szerinti, vízlágyításra való eljárás megvalósítására szolgáló berendezés vázlata.

A vízlágyításra szolgáló eljárás lényege a következő. A lágyítandó vizet két áramban válaszfalas elektrolizálón vezetjük át, amikor is az egyik áramot anódkamrán vezetjük át, amelynek során anolit képződik, a másik áramot pedig katódkamrán vezetjük át, melynek során katolitot nyerünk, amelyből csapadékként kicsapódó keménységnövelő sókat különítünk el. Az anódkamrába vezetett áramot közben előlágyítjuk, ahol ezen áram a csapadék elkülönítése utáni katolitáramnak legalább egy részét tartalmazza, az anolitot pedig késztermékként alkalmazzuk.

A találmány szerinti, vízlágyításra szolgáló eljárást az .1., 2. és 3. ábrán bemutatott elektrolízáló segítségével valósítjuk meg.

A vízlágyításra szolgáló elektrolízáló négyszög alakú, dielektromos (1) házzal van ellátva, amely két egymással párhuzamosan elrendezett porózus (2) válaszfallal három átfolyási kamrára, azaz két (3) anódkamrára és egy, a (3) anődkamrák között elrendezett középső (4) katódkamrára van felosztva. Mindegyik (3) anódkamrában egy-egy (5) anód van elrendezve, amely villamosán vezető anyagból kialakított lemez és a porózus (2) válaszfaltól meghatározott (d) távolságra van elrendezve. A (4) katódkamrában (6) katód van elrendezve, amely a (4) katódkamra alakjának megfelelően szekrény alakú. A (6) katód két egymással szemben lévő falával a porózus (2) válaszfalhoz van szorítva, ahol ezen’fal és a mindenkori porózus (2) válaszfal között villamos (7) szigetelőréteg van elrendezve. A villamos (7) szigetelőrétegekben és a (6) kátédnak azokon felfekvő falaiban (8) hasítékként kiképzett lyukak vannak, amelyek a (4) katódkamrán átáramoltatott vízáram áramlási irányára hozzávetőlegesen merőlegesek. A (8) hasítékok között a (6) kátédnak a (4) katódkamra belsejébe mutató felületén a (8) hasítékok hosszirányában hosszúkás (9) nyúlványok vannak kiképezve, amelyeknek az áram áramlási irányában nézve első felülete a porózus (2) válaszfal felületéhez képest 20-40°-os a szögben vannak hajlítva. A (9) nyúlványok teste átmenő (10) nyílásokkal van ellátva, amelyeknek tengelye a porózus (2) válaszfal felületéhez képest derékszögben van elrendezve. Ezenfelül a (6) katód merevítő (11) bordákkal van ellátva.

Az 1., 2. és 3. ábrán bemutatott elektrolízáló következőképpen működik:

A lágyítandó vizet az elektrolizálón keresztül három áramban vezetjük, amikor is egy középső áramot a (4) katódkamrán és két oldalsó áramot egy-egy (3) anódkamrán vezetünk keresztül.

Az elektródokra, azaz az (5) anódokra és a (6) kátédra egyenáramot kapcsolunk (az áramforrást nem tüntettük fel a rajzon). Az egyenáram hatására a víz keménységét előidéző kalcium- és magnéziumionok a (3) anódkamrákból a porózus (2) válaszfalakon, valamint a (6) kátédban és a (7) szigetelőrétegekben lévő (8) hasítékokon keresztül a (4) katódkamrába kerülnek. A (2) válaszfalak, pl. Belting-féle szövetből vannak. Ily módon megy végbe az anolit lágyítása. A (4) katódkamrában az elektrolízis következtében a katolit lúgosítása megy végbe, ennek során pH-értéke 10,5-11,5ig változik. Ilyen pH-érték mellett a kalcium- és magnéziumionok hidroxidokat vagy karbonátokat képezve oldhatatlan állapotba mennek át. A víz elektrolízise ennek során csupán a (6) katód belső felületén következik be, mivel a (6) kálódnak a (2) válaszfalhoz szorított külső felületét a villamos (7) szigetelőrétegek védik. Ezáltal a porózus (2) válaszfalnak az elektrolízistermékekkel való eliszaposodását a (6) kátédnak a porózus (2) válaszfal felé mutató felületein megakadályozzuk.

A (6) katód belső felületén a (8) hasítékok között kiképzett (9) nyúlványok - amelyeknek az áramlási irányában nézve első felületei a porózus (2) válaszfal felületével 20-40°-os a szöget bezáróan vannak hajlítva - a vízáram számára olyan hidrodinamikai viszonyokat teremtenek, amelyeknek köszönhetően a (6) katód (8) hasítékaiban állószakaszok nem keletkeznek és az elektrolízis termékeit, éspedig a keménységokozó sók csapadékát és a gázbuborékokat a vízáram magával ragadja, tehát a porózus (2) válaszfal felületéről eltávolítja.

HU 205738 Β

A' (9) nyúlványoknak a porózus (2) válaszfalhoz képesti hajlásszögét jelölő α szöget kísérleti úton határoztuk meg. Amennyiben az α szög értéke 40°-nál nagyobb, az elektrolízis termékeinek eltávolítása nem történik maradéktalanul, míg a<20° esetén a porózus (2) válaszfal hatásfelülete nagymértékű átfedés miatt csökken, azaz a (2) válaszfal hatékonysága csökken. A (9) nyúlványok testében kialakított átmenő (10) nyílások - amelyeknek tengelye a porózus (2) válaszfal felületével derékszöget bezáróan van elrendezve - lehetővé teszik a porózus (2) válaszfalak munkafelületének növelését és ennek következtében az elektrolizáló teljesítményének a növelését is.

Avízlágyításra szolgáló, találmány szeiinti eljárást a 4. ábrán bemutatott berendezés segítségével valósítottuk meg.

A berendezés vízmelegítő (12) fűtőberendezéssel van ellátva, amelynek bemenete a lágyítandó vizet vezető fővezetékkel, kimenete (13), ill. (14) szeleppel ellátott, két csővezetéken át vízlágyításra szolgáló. (15) elektrolizálóval van összekötve, ahol a (15) elektrolizáló (16) katődkamrát és két (17) anódkamiát tartalmaz.

A (16) katődkamra és a (17) anódkamrák bemenetel a (13, 14) szelepen keresztül a (12) fűtőberendezés kimenetére vannak kapcsolva. A (16) katődkamra kimenete (18) csővezetéken át (19) szűrő bemenetére van csatlakoztatva, míg a (19) szűrő kimenete (20) szelepen keresztül a (17) anódkamrák bemenetelre van kapcsolva. A (17) anódkamrák kimenetei készterméket (végterméket) vezető (21) csővezetékkel vannak összekötve.

A vizet a (12) fűtőberendezésből két áramban a nyitott (13, 14) szelepeken keresztül a (15) elektrolizálóba, a találmány szerint a (16) katódkamrába és a két (17) anódkamrába vezetjük. Ennek során a (20) szelep zárva van. A víz a (16) katódkamrából a (18) csővezetéken át a (19) szűrőbe jut Ezt követően a (14) szelepet záq'uk, a (20) szelepet pedig nyitjuk és a lágyított katolitot a keménységokozó sók csapadékának a (19) szűrőben történő elkülönítése után a (19) szűrő kimenetéről a (20) szelepen át végleges lágyításhoz a (17) anódkamrákba vezetjük, eközben a víziágyításnak még alá nem vetett víz a (12) fűtőberendezésből a nyitott (13) szelepen keresztül a (16) katódkamrába áramlik. A csapadéknak a (19) szűrőben való elkülönítése után a katolit keménysége 2,6-3,9 mg/1. A (21) csővezetékbe kerülő, végterméket képező anolit keménysége pedig legfeljebb 0,2-0,3 mg/1.

A találmány lényegének jobb megértése céljából az alábbiakban a találmány szerinti eljárást konkrét példák kapcsán ismertetjük:

I.példa

Három áramban vezetünk 6,6 mg/1 keménységű vizet a (15) elektrolizálóba, azaz két áramot a (17) anődkamrákba, ahol anolitot képezünk, és a harmadik áramot a (16) katódkamrába, amelynek kimenetén katolitot nyerünk. Akatolitből szűréssel elkülönítjük a csapadékként kicsapódó keménységokozó sókat. A keménységokozó sók elkülönítése után a katolit pH-értéke 11,3, a katolit keménysége pedig 3,9 mg/1. Ezt követően a (17) anódkamrákba való vízbevezetést megszakítjuk, míg a 6,6 mg/1 keménységű víznek a (16) katódkamrába való bevezetése folytatódik. A (17) anódkamrákban a katolitot végleges tisztításnak vetjük alá, aminek eredményeképpen a (17) anódkamrák kimenetén megjelenő végtermék, az anolit keménysége 0,3 mg/1, pH- értéke pedig 6-7.

2. példa

A vízlágyítást hasonlóképpen végeztük mint az 1. példánál, azzal a különbséggel, hogy a lágyítandó vizet a (16) katódkamrába való bevezetése előtt a (12) fűtőberendezésben 40 °C hőmérsékletre melegítettük feL Ezáltal a végtermék (anolit) keménysége 0,2 mg/l-re csökkent, a vízlágyításra felhasznált energiamennyiség pedig 20-30%-kal csökkent.

3. példa (Összehasonlítás céljából ismert eljárással valósítottuk meg)

Az elektrokémiai vízlágyítás feltételei hasonlóak voltak mint az 1. példánál, a katolitot viszont a keménységokozó sók elkülönítése után nem a (17) anódkamrákba vezettük, hanem az anolittal összekeverve végtermékként alkalmaztuk Az alábbi eredményeket mértük:

A katolit keménysége 0,55 mg/1, az anolit keménysége 2,1 mg/1, az egyesített áram (végtermék) keménysége pedig

Előlágyított víz, éspedig katolitáram alkalmazása esetén, amelyet a (17) anódkamrákba vezetünk, tehát egy kezelési szakaszban 0,2-0,3 mg/1 keménységgel jellemezhető víz nyerhető.

A kisebb értéket oly módon érjük el, hogy a lágyítandó vizet 40 ’C-ra felmelegítjük, ehhez járulékos energia nem szükségeltetik, mivel az ipari víz rendszerint már 40-60 ’C-ra felmelegítve érkezik a lágyításhoz.

A találmány az energiaiparban, a gyógyszeriparban, a vegyi iparban és minden olyan területen alkalmazható, ahol vízlágyításra szükség van.

Claims (3)

1. Eljárás elektrokémiai kezeléssel való vízlágyításra, amelynek során a vizet két áramban válaszfallal ellátott elektrolizálón vezetjük át, amikor is az egyik áramot anolitot képezve anódkamrán, a másik áramot pedig katolitot képezve katódkamrán vezetjük át, a katolitból a csapadékként kicsapódó keménységokoző sókat elkülönítjük, azzal jellemezve, hogy a vízáramot az anódkamrába (17) való beáramoltatása előtt előlágyításnak vetjük alá, ahol ezen áram a keménységnövelő sók csapadékának elkülönítése utáni katolitáramnak leg4

HU 205 738 Β alább egy részét tartalmazza, az anolitot pedig végtermékként alkalmazzuk.

2. Elektrolizáló vízlágyításra, amelynek porózus válaszfallal átfolyási kamrákra - anóddal ellátott anódkamrára és katóddal ellátott katódkamrára - felosztott 5 háza van, ahol a katód a porózus válaszfalhoz van szorítva, és köztük villamos szigetelőréteg van, a villamos szigetelőrétegben és a katódban pedig lyukak vannak kialakítva, azzal jellemezve, hogy az anód (5) a porózus válaszfaltól (2) meghatározott távolságban (d) van elrendezve, a katódban (6) és a villamos szigetelőrétegben (7) kialakított lyukak a vízáram áramlási irányára hozzávetőlegesen merőleges irányú hasítékok (8), a katódnak (6) a katódkamra (4) belsejébe mutató felületén pedig a hasítékok (8) között azok hosszirányában hosszúkás nyúlványok (9) vannak kiképezve, amelyeknek az áram áramlási irányában elsőként elhelyezkedő felületei a porózus válaszfal (2) felületéhez képest 2040°-os szögben vannak hajlítva.

3. A 2. igénypont szerinti elektrolizáló, azzal jellemezve, hogy a nyúlványok (9) testében átmenőnyílások (10) vannak kiképezve, amelyeknek tengelyei a porózus válaszfal (2) felületével derékszöget bezáróan vannak elrendezve.