RU156246U1

RU156246U1 - Устройство для электрохимической обработки жидкой среды

Info

Publication number: RU156246U1
Application number: RU2015108814/05U
Authority: RU
Inventors: Александр Федорович Чабак
Original assignee: Александр Федорович Чабак
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2015-11-10

Abstract

1. Устройство для электрохимической обработки жидкой среды, содержащее корпус с патрубками подвода-отвода жидкой среды с установленной на них запорно-регулирующей арматурой, с размещенным в нем каталитическим электролизером, состоящим из анодной и катодной камер, разделенных мембраной, с анодом и катодом, соединенными с источником напряжения, отличающееся тем, что боковая поверхность электролизера представляет собой катод, а верхнее и нижнее основания электролизера выполнены сплошными, анод и катод находятся в электрическом контакте с катализаторами, при этом анод, катод и катализаторы выполнены проницаемыми для жидкой среды, анодная камера соединена с трубопроводом отвода кислорода и жидкой среды, насыщенной кислородом, и патрубком подвода-отвода воды, а внутренний объем корпуса соединен со вторым патрубком подвода-отвода воды.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что катализатор нанесен на поверхность анода и катода.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анод и катод выполнены из каталитических материалов.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что катод и анод выполнены в виде контейнеров с загрузкой каталитических материалов.5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник напряжения выполнен в виде высокочастотного генератора с частотой 6,5-7,5 МГц.6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мембрана выполнена из материала на основе естественных, или синтетических, или ионообменных волокон или гранул.7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анодная камера соединена с трубопроводом отвода кислорода и жидкой среды, насыщенной кислородом, проходящим через верхнее основание электролизера.

Description

Полезная модель относится к электрохимическим устройствам для обработки жидкостей, таких как питьевая вода, технологические потоки воды, соки, фруктовые напитки, молоко, вино, шампанское, пиво и др., и предназначено для улучшения их свойств как за счет снижения концентрации находящихся в ней сильных окислителей: перекиси водорода, озона, OH-радикалов и других радикалов окислительного характера, так и обеспечения восстановительных свойств за счет введения водорода.

Существуют жесткие санитарные нормы и правила (СанПиН) на содержание сильных окислителей перекиси водорода, озона, OH-радикалов и других радикалов окислительного характера в питьевой воде, технологических водных потоках, а так же перед отведением (сбросом) сточных или технологических вод в канализацию или в природные водоемы. Другой широкой областью, где требуется удаление окислителей является пищевая промышленность - это производство соков, фруктовых напитков, молока, вина, шампанского, пива и воды. Срок хранения этих продуктов и качество зависит от окислительных компонентов, содержащихся и образующихся в них в процессе их производства и хранения. Как правило, например, такие продукты как вино, шампанское и пиво в процессе изготовления проходят стадии брожения, когда в среде создается множество окислительных компонентов, после брожения наступает стадия выдержки и отстаивания, когда необходимо убрать или существенно снизить окислительные компоненты и заключительная стадия это разлив в бутылки. На этой стадии в эти продукты добавляют консерванты, которые подавляют процессы окисления и потери качества продукта в процессе хранения. Как правило, консервантами являются вещества, обладающие восстановительными свойствами, которые связывают окислители. Так, например, в вино вводят сульфит

или SO₂, который в бутылке в процессе хранения связывает окислительные компоненты и переходит в сульфат

. Консерванты влияют на вкусовые качества продуктов и имеют достаточно ограниченный срок действия. Последнее относится и к молочным продуктам, сокам, напиткам.

Применение предлагаемого устройства решает и эти проблемы, удаляя из продуктов все окислительные компоненты и создавая восстановительную среду за счет лучшего диоксиданта - водорода. Это обеспечивает получение экологически чистых продуктов, без традиционных консервантов, и с длительным сроком хранения. Не менее важной проблемой является получение воды с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом путем насыщения воды водородом. Вода с отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом, содержащая антиоксидант, улучшает метаболические процессы в организме, стимулируя обменные процессы обеспечиваемые капиллярными структурами, отвечающими за подвод «питания» к клеткам и за отвод от них продуктов распада жизнедеятельности. Наличие диоксиданта - водорода позволяет связывать выбросы в организм окислительных радикалов при стрессах и перегрузках. Помимо этого, кислород поступающий от анода, насыщает ее и она может использоваться в медицинских целях как кислородный «коктейль», для больных с низким содержанием эритроцитов.

Известны различные технические решения, применяемые при электро-химическом обеззараживания воды, заключающийся в совместном действии пероксида водорода и гомогенного катализатора - 0,05-1,0 мг/л ионов меди (см., например, Савлук И.П. и др. Антимикробные свойства меди // Химия и технология воды, 1986, т. 8, №6, с. 65-67). Здесь катализатор готовят при помощи электролитического растворения металлической меди. При этом полученные ионы меди разлагают перекись водорода.

Известен способ и установка обеззараживания воды биоцидными продуктами, которыми обогащается вода при ее прокачке в межэлектродном пространстве бездиафрагменного электрохимического реактора. Эффект очистки усиливается за счет прямого окисления органических примесей при их контакте с анодом (авт. св. СССР N 1010018 СССР, кл. C02F 1/46, опубл. 07.04.83). Установки, работающие по этому принципу, снабжаются устройствами для турбулизации потока воды, дополнительными пассивными электродами, специальными покрытиями анода для обеспечения равномерного воздействия на весь объем воды, а также для усиления выделения кислорода и задержки образования хлора (см. Г.Д. Мериш, А.А. Тейшева, Д.Л. Басин. Обеззараживание природных и сточных вод с использованием электролиза. М., Стройиздат.1982 г., с. 81, а также патент Великобритании N 1526637,1978 г.).

Другое техническое решение (см. В.М. Бахир. Очистка питьевой воды. В сб. Электрохимактивация. Новая техника. Новые технологии. Вып. 5. М, 1992. С. 6) включает анодное окисление воды, при котором биоцидные продукты реакций и прямое окисление органических примесей уничтожают основную часть микроорганизмов и этих примесей, а окончательная очистка (доокисление органических веществ) и снижение концентрации биоцидных агентов до безопасной нормы происходят при помощи атомарного кислорода и OH радикалов, образующихся при прохождении воды через каталитический реактор, заполненный, например, углерод-оксидномарганцевым катализатором. Параллельный поток воды, составляющий около 0,1% основного, пропускают через катодную камеру, где наблюдается повышенная концентрация ионов тяжелых металлов. Вода из катодной камеры сбрасывается в канализацию. Недостатками данного решения являются сброс воды в канализацию с повышенным содержанием тяжелых металлов, сложность установки (наличие трех камер), необходимость периодической промывки катодной камеры раствором соляной кислоты для удаления карбонатных отложений, необходимость подключения к канализации.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является установка для обработки воды (см. В.М. Бахир. Очистка питьевой воды. В сб. Электрохимактивация. Новая техника. Новые технологии. Вып. 5. С. 8. М., Рекл. - изд. центр “ЯиК”. 1992 г.), которая снабжена каталитическим электролизером, который состоит из анодной и катодной камер, разделенных ионоселективной мембраной, нерастворимым анодом из платинированного титана, углерод-оксидномарганцевым катализатором, помещенным в отдельной емкости, источником постоянного тока и механическим фильтром на входе установки. При последовательном пропускании воды через анодную камеру электролизера, слой углерод-оксидномарганцевого катализатора, и затем через катодную камеру этого же электролизера, происходит прямое электролитическое и гомогенное каталитическое восстановление с участием высокоактивных соединений: OH-, H3O2-, H2, HO2-, H2O2, H2O2-. К недостаткам данного решения относятся: невозможность комплексного улучшения показателей обрабатываемых жидкостей, т.е. удалять как остаточные количества сильных окислителей, так и создавать восстановительную среду.

Техническим результатом полезной модели является возможность комплексного улучшение показателей очищаемой жидкости, а именно, как снижение остаточных количеств сильных окислителей: пероксида водорода, озона, OH и других окислительных радикалов в питьевых, технологических, оборотных и сточных водах, жидких пищевых продуктах, так и создания восстановительной среды введением в нее водорода.

Для достижения указанного результата предложено устройство для электрохимической обработки жидкой среды, содержащее, корпус с патрубками подвода-отвода жидкой среды с установленной на них запорно-регулирующей арматурой, с размещенным в нем каталитическим электролизером, состоящим из анодной и катодной камер, разделенных мембраной, анодом и катодом, соединенными с источником напряжения, при этом боковая поверхность электролизера представляет собой катод, а верхнее и нижнее основания электролизера выполнены сплошными, анод и катод, находятся в электрическом контакте с катализаторами, при этом анод, катод и катализаторы выполнены проницаемыми для жидкой среды, анодная камера соединена с трубопроводом отвода кислорода и жидкой среды, насыщенной кислородом, и патрубком подвода-отвода воды, а внутренний объем корпуса соединен со вторым патрубком подвода-отвода воды.

Кроме того:

- катализатор нанесен на поверхность анода и катода

- анод и катод выполнены из каталитических материалов

- катод и анод выполнены в виде контейнеров с загрузкой каталитических материалов.

- источник напряжения выполнен в виде высокочастотного генератора с частотой 6,5-7,5 МГц.

- мембрана выполнена из материала на основе естественных, или синтетических, или ионообменных волокон или гранул.

- анодная камера соединена с трубопроводом отвода кислорода и жидкой среды, насыщенной кислородом, проходящим через верхнее основание электролизера.

На фигурах 1-3 - схематично изображено устройство для очистки жидкой среды, где

1 - корпус из материала, не проводящего электрический ток.

2 - анод

3 - катализатор разложения окислителей

4 - мембрана проницаемая для жидкости и газа.

5 - катод.

6 - катализатор гидрирования.

7 - трубопровод отвода кислорода и жидкой среды, насыщенной кислородом

8 - сбросник кислорода в атмосферу или вентиляцию.

9 - вентиль отбора жидкой среды, содержащей кислород.

10, 11 - патрубки подвода-отвода жидкой среды

12 - электролизер

13 - катодная камера

14 - анодная камера

Как вариант конструктивного исполнения показано устройство с кольцевым исполнением электролизера, также электролизер может быть выполнен в виде прямоугольной конструкции или другом геометрическом решении.

На фигурах показан вариант выполнения устройства когда нижнее основание электролизера совмещено с дном корпуса, возможны и другие варианты расположения электролизера. Основное, электролизер имеет проницаемую для газа и жидкой среды боковую поверхность и верхнее и нижнее сплошные основания.

Рассмотрим вариант выполнения устройства на примере обработки питьевой воды. Отличия обработки других жидких сред будут сводиться к обычным решениям подбора материалов катализаторов, других конструктивных материалов, которые должны отвечать специфическим требованиям, предъявляемым в соответствующих отраслях.

С точки зрения обеспечения лучшей работоспособности устройства патрубки подвода и отвода воды 10 и 11 располагаются в той части корпуса 1 устройства, которая оптимально решает проблемы монтажа, трубопровод 7 отвода жидкой среды, насыщенной кислородом, из анодной камеры 14 всегда находится в верхней части устройства.

Изменение направления потока очищаемой воды через патрубки 10 и 11 осуществляется с помощью установленных на них запорно-регулирующей аппаратуры.

Вариант 1 - устройство обеспечивает улучшение показателей очищаемой жидкости, а именно, как снижение остаточных количеств сильных окислителей: пероксида водорода, озона, ОН и других окислительных радикалов.

Устройство работает следующим образом. Вода, содержащая окислительные компоненты: кислород, перекись водорода, озон, OH-радикал с помощью насоса (на фигуре не показан) через патрубок подвода-отвода жидкой среды 10 поступает в корпус 1 и направляется на катод 5 выполненный из токопроводящего материала. На катод 5 и анод 2, соединенными с источником напряжения (на фиг. не показан) подается постоянное, импульсное или др. напряжение, обеспечивающее разложение воды, а также для улучшения разложения воды предусматривается подача высокочастотного напряжения резонансного с частотой колебаний воды (6,0-8,0 МГц) при оптимальной частоте 6,5-7,3 МГц. Катод 5 и анод 2 выполнены проницаемыми для воды, например, из перфорированного материала или сетки. На катоде 5 выделяется водород, который взаимодействует с окислителями. Для улучшения взаимодействия окислителей и водорода с образованием воды катод 5, либо выполняют из проводящего электрический ток катализатора, например, палладия, железа, специальных сплавов, содержащих катализаторы (Fe, Ni, Cu, Cr, Zn), либо на катод 5 наносят каталитическое покрытие, либо катод 5 выполняют в виде контейнера 6 с загрузкой в него каталитического материала: палладия, никеля, железа, окислов железа в виде сетки или, нанесенных на волокнистую или гранулированную матрицу. Наиболее простая конструкция катода представляет собой емкость из двух параллельных сеток из металлической проволоки, которые выполняют функции электродов, внизу у этих сеток дно вверху крышка. Между сеток засыпается катализатор. Такой контейнер, электрод с катализатором, проницаем для потока воды. Вода на катоде 5 приобретает кислый характер из-за образования H⁺-иона. Затем вода поступает в катодную камеру 13 и, проходя через проницаемую мембрану 4. например, из ионообменного материала в виде полимерной пленки или волокнистого материала или ткани, поступает в анодную камеру 14, где на аноде 2 выделяется кислород. Анод 2 выполнен так же как и катод 5, но в качестве катализатора используется катализаторы разложения окислителей: анатаз, соединения меди, марганца, железа, их окислов и др. Конструктивно он может быть выполнен как показан на фигурах 1-3, но это не является единственно возможным решением. Газообразный кислород, образуемый на аноде 2 за счет разложения воды и развала сильных окислителей на катализаторе анода, через трубопровод 7 отвода жидкой среды, насыщенной кислородом, соединенный с анодной камерой 14 поступает в сбросник кислорода 8 и выводится из устройства. На аноде 2 образуются OH^-ионы, которые имеют щелочной характер. На и после анода 2 кислая вода с катода 5 и щелочная вода с анода 2 смешиваются в анодной камере 14 и нейтрализуются. В конечном итоге на выходе из устройства получаем воду без сильных окислителей, но с мягким окислителем кислородом, содержание которого не превышает его растворимость в воде и содержание которого не ограничивается СанПиН для питьевой воды, сточных вод и др. Эта вода через патрубок подвода-отвода жидкой среды 11 выводится из устройства к потребителю. Весь кислород, превышающий его растворимость в воде, образует газовую фазу в виде пузырьков, которые по трубопроводу 7, соединенного с анодной камерой 14 в верхнем основании электролизера 12, отводятся к сброснику газа 8, расположенного вне корпуса 1 устройства. Вода, насыщенная кислородом (кислородный коктейль) может выводиться из устройства через вентиль 9.

Вариант 2 - устройство обеспечивает улучшение показателей очищаемой жидкости, а именно, создание восстановительной среды введением в нее водорода.

Конструкция всех узлов и материалы идентичны, приведенным в варианте 1.

Очищаемая вода, содержащая кислород, подается в устройство через патрубок 11 подвода-отвода жидкой среды в обратном направлении (фиг. 3). Рассмотрим возможность достижения технического результата, используя следующие показатели. Вода, насыщенная кислородом воздуха, содержит 6 мг/л кислорода. В воздухе 20% кислорода. Вода поступает в анодную камеру 14 где насыщается кислородом, который выделяется на аноде 2. Так как в этом случае в воде растворяется кислород, который в выделяемом газе составляет 100%, то в воде может раствориться его в 5 раз больше, чем при контакте с воздухом - 20%. При этом окислительные радикалы, образуемые из воды на аноде 2 разлагаются на катализаторе 3 с образованием кислорода. Тогда в воде должно содержаться кислорода не более 6×5=30 мг/л. Кислород, выделяемый на аноде 2 может насытить воду только до 30 мг/л, избыточный кислород переходит в газовую фазу и через трубопровод 7 и сбросник газа 8 удаляется из устройства. Вода из анодной камеры 14 через мембрану 4 поступает в катодную камеру 13. На катоде 5 остаточный кислород связывается с водородом, выделяемым на нем активированным катализатором 6. Для связывания 30 мг/л кислорода, требуется 3,75 мг/л водорода. Поэтому при режиме работы устройства, когда на катоде выделяется водород, насыщающий воду до концентраций выше 3,75 мг/л в воде должен отсутствовать кислород и присутствовать водород. Весь избыток кислорода, вырабатываемый при таком режиме работы устройства переходит в газовую фазу и по трубопроводу 7 выводится из анодной камеры 14 и удаляется через сбросник газа 8. Вода насыщенная кислородом - «кислородный коктейль» может поступать к потребителю через кран 9.

Пример 1. Вода содержащая растворенный кислород воздуха поступала в анодную камеру 14 электролизера через патрубок П. Обработка воды шла по варианту 2 и вода анализировалась на выходе из установки через патрубок 10.. Содержание водорода в воде определялось с помощью водородомера «МАВР-501», окислительно-восстановительный потенциал измерялся с помощью - ORP-169 В, содержание кислорода кислородомером - «МАРК-300Э, периодически отбирались пробы воды для определения перекиси водорода (йодометрия) и озона (фотометрически с помощью набора SAM OZONE 1-2019). Избыток водорода создавался изменением постоянного напряжения на электродах. При избытке водорода окислительные компоненты в воде отсутствовали. Соотношение избытка содержания водорода в воде и значения окислительно-восстановительного потенциала представлено в таблице.

Пример 2. В воду добавляли окислитель KMnO₄, концентрация составляла 1,0 мг/л. Окислительно-восстановительный потенциал воды при этом составлял +245 мВ. Обработка воды проходила по варианту 1. Вода направлялась в корпус 1 по патрубку 10 и анализировалась на выходе из устройства - патрубок 11. На катод и анод подавалось электрическое напряжение, обеспечивающее выделение водорода 120 мл/л. При этом окислительно-восстановительный потенциал воды составлял -542 мВ. Окислителей, в выходящей из устройства воды, обнаружено не было. Кроме этого происходило появление в воде темных частичек MnO₂. Концентрация растворенного марганца в воде была 0,02-0,01 мг/л. Это объясняется протеканием реакций:

и

Таким образом, помимо удаления окислителей происходит их восстановление до соединений с меньшей валентностью: в KMn_O4 валентность Mn - 7, а у MnO₂ - 3. Восстановление NaNO₃ до NaNO₂ или N₂ валентность N изменяется с 5 до 3 и до 0.

Пример 3. Определялось влияние резонансного излучения высокочастотного генератора на выделение водорода и кислорода в установке. В качестве высокочастотного генератора тока использовался Г4-153, с мощностью 100 Вт. Были проведены исследования по определению выделения водорода при изменении постоянного напряжения на катоде и аноде от 50 до 380 В без включения генератора Г4-153 и с включением и подачей на катод и анод высокочастотного излучения ниже резонансной частоты 4-5 МГц. После этого на катод и анод подали резонансную частоту 6,5-7,5 МГц, для получения аналогичного количество водорода достаточно было подачи на катод и анод 6-12 В. Так как частота 6,5-7,5 МГц является резонансной частотой для ионов молекул воды, то вода интенсивно диссоциирует на катионы H⁺, H₃ ⁺O и анионы OH^- и становится электропроводной. Ее электрическое сопротивление становится таким небольшим, что даже при низких напряжениях постоянного тока от 6 до 12 В на аноде 2 и катоде 5 через слой воды проходит значительный электрический ток. Уменьшение напряжения постоянного тока с рекомендуемых 50-380 В в прототипе до 6-12 В в предлагаемом устройстве помимо экономии электроэнергии увеличивает безопасность для обслуживающего персонала, так как по технике безопасности рекомендуется применять напряжения при работе с водой не более 12 В.

Приведенные данные подтверждают достижение технического результата и осуществимость полезной модели: использование данного устройства позволит удалять из воды окислители, которые применяются для обеззараживания воды, удаления органических загрязнений и при других технологических процессах, а так же позволяет получать воду с отрицательным окислительно-воссановительным потенциалом, насыщенную водородом, которая стимулирует биологические процессы, является антиоксидантом, повышает иммунитет живого организма. Кроме этого предусмотрено и получение воды насыщенной кислородом «кислородные коктейли», которые применяются при низком содержании железа в организме и ухудшении метаболических процессов. Все это позволяет решать проблемы удаления окислителей из водных потоков различного назначения: питьевая вода, теплоносители в тепловой и атомной энергетике, дебалансных, водооборотных и сбросных водах, обеспечивая требования норм качества по этим загрязнениям в соответствии с СанПин, а так же создание восстановительных сред в теплоносителях в энергетике, пищевой промышленности, медицине и быту.

Claims

1. Устройство для электрохимической обработки жидкой среды, содержащее корпус с патрубками подвода-отвода жидкой среды с установленной на них запорно-регулирующей арматурой, с размещенным в нем каталитическим электролизером, состоящим из анодной и катодной камер, разделенных мембраной, с анодом и катодом, соединенными с источником напряжения, отличающееся тем, что боковая поверхность электролизера представляет собой катод, а верхнее и нижнее основания электролизера выполнены сплошными, анод и катод находятся в электрическом контакте с катализаторами, при этом анод, катод и катализаторы выполнены проницаемыми для жидкой среды, анодная камера соединена с трубопроводом отвода кислорода и жидкой среды, насыщенной кислородом, и патрубком подвода-отвода воды, а внутренний объем корпуса соединен со вторым патрубком подвода-отвода воды.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что катализатор нанесен на поверхность анода и катода.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анод и катод выполнены из каталитических материалов.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что катод и анод выполнены в виде контейнеров с загрузкой каталитических материалов.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник напряжения выполнен в виде высокочастотного генератора с частотой 6,5-7,5 МГц.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что мембрана выполнена из материала на основе естественных, или синтетических, или ионообменных волокон или гранул.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анодная камера соединена с трубопроводом отвода кислорода и жидкой среды, насыщенной кислородом, проходящим через верхнее основание электролизера.