RU2038323C1

RU2038323C1 - Equipment for purification and disinfection of water

Info

Publication number: RU2038323C1
Application number: SU5035757/26A
Authority: RU
Inventors: В.М. Бахир; Ю.Г. Задорожний; Ю.А. Рахманин; И.Н. Найда; Н.Н. Найда; Н.В. Джейранишвили; С.К. Бутин
Original assignee: Бахир Витольд Михайлович
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: devices used in electrochemical treatment of water. SUBSTANCE: water to be treated is fed from pump source 1 into anode chamber 4 of high pressure module-type continuous electrochemical reactor with porous ultra-violet ceramic diaphragm 3. Active chlorine forms in the anode chamber to destroy all microorganisms and oxidize organic admixtures. After passing through the anode chamber, water flows through container 6 with catalyst on which active chlorine disintegrates. Then water travels to cathode chamber 5 of electrochemical reactor, and recuperation of organic admixtures occurs. EFFECT: higher efficiency. 2 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки воды и может быть использовано для получения питьевой воды. The invention relates to devices for electrochemical water treatment and can be used to produce drinking water.

В прикладной электрохимии используются электролизеры различных конструкций, обеспечивающие обработку воды. In applied electrochemistry, electrolyzers of various designs are used that provide water treatment.

Известен способ обработки воды, заключающийся в последовательном пропускании воды через анодную и катодную камеры с использованием графитовых электродов [1]
Недостатком способа является высокая концентрация соединений активного хлора в устойчивой форме (гипохлориты щелочных и щелочноземельных металлов) в обработанной воде, что делает ее непригодной для питья. Кроме того, при обработке воды этим способом в ней образуются высокотоксичные галоидсодержащие соединения, опасные для здоровья.A known method of water treatment, which consists in sequentially passing water through the anode and cathode chambers using graphite electrodes [1]
The disadvantage of this method is the high concentration of active chlorine compounds in a stable form (alkali and alkaline earth metal hypochlorites) in treated water, which makes it unsuitable for drinking. In addition, when treating water with this method, highly toxic halogen-containing compounds that are hazardous to health are formed in it.

Известно устройство для обработки воды [2] состоящее из цилиндрического электролизера с коаксиально расположенными электродами и диафрагмой между ними, разделяющей внутреннее пространство на катодную и анодную камеры. Каждая камера имеет отдельный вход в нижней и отдельный выход в верхней частях электролизера, сообщающиеся с подводящими и отводящими гидравлическими линиями для протока воды под давлением. В состав устройства входит источник постоянного тока, соединенный с электродами электролизера через коммутационный узел, обеспечивающий возможность перемены полярности электродов для удаления катодных отложений. Отмечено, что в процессе эксплуатации данного устройства возможно получение электрохимически обработанной воды с бактерицидными свойствами. Данное устройство по технической сути и достигаемому результату является наиболее близким техническим решением и выбрано в качестве прототипа. A device for water treatment [2] is known consisting of a cylindrical electrolyzer with coaxially arranged electrodes and a diaphragm between them, dividing the internal space into the cathode and anode chambers. Each chamber has a separate entrance at the bottom and a separate exit at the top of the cell, communicating with the inlet and outlet hydraulic lines for the flow of water under pressure. The structure of the device includes a direct current source connected to the electrodes of the electrolyzer through a switching unit, which makes it possible to change the polarity of the electrodes to remove cathode deposits. It is noted that during the operation of this device, it is possible to obtain electrochemically treated water with bactericidal properties. This device in terms of technical essence and the achieved result is the closest technical solution and is selected as a prototype.

В описанном устройстве велики энергопотери при обработке воды с изменяющейся во времени минерализацией. Чем больше минерализация воды, тем большее удельное количество электричества требуется для ее обработки, т.е. тем больше необходимая сила тока при постоянном объемном расходе воды. При уменьшении минерализации воды необходимо высокое напряжение для того, чтобы достичь требуемого уровня удельных затрат количества электричества без снижения объемного расхода воды. Чем шире диапазон возможных изменений минерализации воды, тем выше должна быть электрическая мощность источника постоянного тока, поскольку она определяется произведением максимально возможной силы тока на максимально возможное напряжение. Практически отсутствуют случаи, когда мощность используется полезно полностью. In the described device, there are high energy losses during water treatment with time-varying mineralization. The greater the salinity of the water, the greater the specific amount of electricity required to process it, i.e. the greater the required current strength at a constant volumetric flow rate of water. With a decrease in mineralization of water, a high voltage is necessary in order to achieve the required level of specific costs of the amount of electricity without reducing the volumetric flow of water. The wider the range of possible changes in water mineralization, the higher should be the electric power of the direct current source, since it is determined by the product of the maximum possible current strength and the maximum possible voltage. There are practically no cases where power is used up fully.

При обработке воды со значительной минерализацией протекает большой ток при малом напряжении, при обработке воды с малой минерализацией малый ток при большом напряжении. Потребляемая электролизером мощность в несколько раз (3-10) меньше установленной мощности источника тока, т.е. устройство для электролиза воды имеет низкий КПД. When treating water with significant salinity, a large current flows at low voltage, while treating water with low salinity, a small current at high voltage. The power consumed by the electrolyzer is several times (3-10) less than the installed power of the current source, i.e. A device for electrolysis of water has a low efficiency.

Кроме того, устройство не обеспечивает стабильность характеристик получаемых растворов при минерализации исходной воды. In addition, the device does not provide stability characteristics of the resulting solutions during the mineralization of the source water.

В практике обработки воды электрохимическими методами известно использование пиролюзита (MnO₂), причем данная каталитическая загрузка располагается между электродами.In the practice of water treatment by electrochemical methods, it is known to use pyrolusite (MnO ₂ ), and this catalytic loading is located between the electrodes.

Такое техническое решение имеет и существенный недостаток, заключающийся в том, что в междуэлектродном пространстве гранулы катализатора работают как биполярные микроэлектроды, вследствие чего они разрушаются и уносятся с потоком очищенной воды. Возможно также забивание пор между гранулами катализатора и уменьшение пропускной способности электролизера. Such a technical solution also has a significant drawback, namely, that in the interelectrode space the catalyst granules work as bipolar microelectrodes, as a result of which they are destroyed and carried away with the stream of purified water. It is also possible clogging of the pores between the granules of the catalyst and reducing the throughput of the cell.

Кроме того, при использовании катализаторов непосредственно в рабочей зоне электрохимического реактора возможно разрушение активного слоя анодов, выполненных с применением неблагородных металлов, таких, как ОКТА, ТДМА. In addition, when using catalysts directly in the working zone of an electrochemical reactor, it is possible to destroy the active layer of anodes made with the use of base metals, such as OCTA, TDMA.

Следует отметить также недостаточную активность пиролюзитового катализатора. Для полного разрушения соединений активного хлора в потоке воды требуется значительная масса этого катализатора. It should also be noted the lack of activity of the pyrolusite catalyst. For the complete destruction of the active chlorine compounds in the water stream, a significant mass of this catalyst is required.

Цель изобретения снижение энергозатрат при обработке воды, повышение качества обработанной воды. The purpose of the invention is the reduction of energy consumption in water treatment, improving the quality of treated water.

Поставленная цель достигается за счет применения устройства, содержащего электролитический элемент, в состав которого входят цилиндрический и стержневой электроды, вертикально установленные в диэлектрических втулках, а также керамическая диафрагма, изготовленная из керамики на основе циркония с добавками оксидов ит- трия и алюминия и установленная таким образом, что геометрические размеры устройства удовлетворяют соотношениям

и

0,7-0,8 где K межэлектродное расстояние, мм;
L длина рабочей части электродной камеры, мм;
D_s внутренний диаметр цилиндрического электрода, мм;
D_в диаметр средней части стержневого электрода, мм;
S_s,S_в площади поперечного сечения камер соответственно цилиндрического и стержневого электродов, м².This goal is achieved through the use of a device containing an electrolytic cell, which includes a cylindrical and rod electrodes vertically mounted in dielectric bushings, as well as a ceramic diaphragm made of zirconium-based ceramics with additives of yttrium and aluminum oxides and installed in this way that the geometric dimensions of the device satisfy the relations

and

0.7-0.8 where K is the interelectrode distance, mm;
L is the length of the working part of the electrode chamber, mm;
D _{s the} inner diameter of the cylindrical electrode, mm;
D _{in the} diameter of the middle part of the rod electrode, mm;
S _s , S _in the cross-sectional area of the chambers of the cylindrical and rod electrodes, respectively, m ² .

В верхней и нижней частях цилиндрического электрода выполнены отверстия, стержневой электрод выполнен переменного сечения и диаметр его концов составляет 0,75 диаметра его средней части, причем стержневой электрод установлен таким образом, что его средняя часть расположена на уровне, ограниченном отверстиями в верхней и нижней частях цилиндрического электрода. Holes are made in the upper and lower parts of the cylindrical electrode, the rod electrode is made of variable cross-section and the diameter of its ends is 0.75 of the diameter of its middle part, and the rod electrode is installed in such a way that its middle part is located at a level limited by the holes in the upper and lower parts cylindrical electrode.

Кроме того, устройство дополнительно снабжено емкостью с катализатором, а линия подачи воды соединена с отверстием в нижней части цилиндрического электрода, отверстие в верхней части цилиндрического электрода соединено с верхней частью емкости с катализатором, а нижняя часть емкости соединена со входом камеры стержневого электрода, причем цилиндрический электрод соединен с положительным полюсом источника тока, а стержневой с отрицательным. In addition, the device is additionally provided with a container with a catalyst, and a water supply line is connected to an opening in the lower part of the cylindrical electrode, an opening in the upper part of the cylindrical electrode is connected to the upper part of the container with a catalyst, and the lower part of the vessel is connected to the inlet of the rod electrode chamber, and the electrode is connected to the positive pole of the current source, and the rod to the negative.

На фиг.1 представлена схема устройства для обеззараживания и очистки воды; на фиг.2 электролитический элемент модульного типа ПЭМ. Figure 1 presents a diagram of a device for disinfection and purification of water; figure 2 electrolytic cell modular type TEM.

Устройство состоит из напорного источника 1 обрабатываемой воды, фильтра 2, элемента ПЭМ 3, выполненного в виде диафрагменного цилиндрического электролизера, разделенного керамической диафрагмой на анодную 4 и катодную 5 камеры, емкость с катализатором 6. The device consists of a pressure source 1 of the treated water, filter 2, a TEM element 3, made in the form of a diaphragm cylindrical electrolyzer, separated by a ceramic diaphragm into anode 4 and cathode 5 of the chamber, a container with a catalyst 6.

Основным узлом устройства для получения питьевой воды является электролитический элемент модульного типа, именуемый далее ПЭМ. The main unit of the device for producing drinking water is an electrolytic cell of a modular type, hereinafter referred to as TEM.

Элемент ПЭМ представляет собой миниатюрный диафрагменный электролизер с коаксиальным расположением внешнего цилиндрического анода 7, внутреннего стержневого катода 8 и трубчатой керамической диафрагмы 9 между электродами. Электроды и диафрагма жестко и герметично взаимно закреплены при помощи уплотнительных колец 10, 11 и торцевых втулок 12 из диэлектрического материала, являющихся продолжением внешней цилиндрической поверхности элемента ПЭМ. На внешней поверхности элемента ПЭМ расположены входы 13, 14 и выходы 15, 16 электродных камер. Они выполнены в виде отверстий в торцевых втулках 12 и цилиндрическом электроде 7 и уго концов. Сборка и герметизация электролитического элемента производится при стягивании втулок 12 к торцам электрода 7 гайками 17 и шайбами 18 на концах электрода 8. Зазоры между электродами 7 и 8 и диафрагмой 9 равны 1,2 мм. Расстояние между электродами 7 и 8 равно 3 мм, толщина ультрафильтрационной диафрагмы 9 находится в пределах 0,58-0,62 мм. Диаметр средней части внутреннего стержневого электрода равен 8 мм, а его концевых частей 6 мм. The TEM element is a miniature diaphragm electrolyzer with a coaxial arrangement of the outer cylindrical anode 7, the inner rod cathode 8 and the tubular ceramic diaphragm 9 between the electrodes. The electrodes and the diaphragm are rigidly and hermetically fixed by means of sealing rings 10, 11 and end sleeves 12 of dielectric material, which are a continuation of the outer cylindrical surface of the TEM element. Inputs 13, 14 and outputs 15, 16 of the electrode chambers are located on the outer surface of the TEM element. They are made in the form of holes in the end sleeves 12 and the cylindrical electrode 7 and the ends. The assembly and sealing of the electrolytic cell is carried out by tightening the bushings 12 to the ends of the electrode 7 with nuts 17 and washers 18 at the ends of the electrode 8. The gaps between the electrodes 7 and 8 and the diaphragm 9 are 1.2 mm. The distance between the electrodes 7 and 8 is 3 mm, the thickness of the ultrafiltration diaphragm 9 is in the range of 0.58-0.62 mm. The diameter of the middle part of the inner rod electrode is 8 mm, and its end parts are 6 mm.

Длина рабочей части диафрагмы составляет 200 мм. Рабочая поверхность диафрагмы заключена между уплотнительными кольцами 10. Площадь рабочей поверхности цилиндрического электрода 7 составляет 88 см², стержневого 50 см².The length of the working part of the diaphragm is 200 mm. The working surface of the diaphragm is enclosed between the sealing rings 10. The area of the working surface of the cylindrical electrode 7 is 88 cm ² rod 50 cm ² .

Геометрические размеры устройства удовлетворяют соотношениям

и

0,7-0,8 где K межэлектродное расстояние, мм;
L длина рабочей части электродной камеры, мм;
D_s внутренний диаметр цилиндрического электрода, мм;
D_в диаметр средней части стержневого электрода, мм;
S_s,S_в площади поперечного сечения камер соответственно цилиндрического и стержневого электродов, м²;
Сочетание указанных размеров электродов и диафрагмы обеспечивает равномерное распределение потока воды по поверхности электродов и одинаковую скорость течения в любом сечении электродной камеры. В кольцевых вертикальных гладкостенных электродных камерах отсутствуют условия для образования застойных зон и зон медленного протока. Такие зоны отрицательно влияют на характеристики любого электролитического реактора, а именно электрохимические процессы провоцируют их образование. Например, при протекании воды в системе параллельных плоских электродов наблюдаются разные по толщине слои воды, неоднородности течения, наличие участков с различными электрохимическими свойствами и т.д. Эти зоны имеют способность самоподдерживаться и развиваться. В них накапливаются продукты электрохимических реакций, формируя осадки различной плотности. Проводимость этих зон выше, чем в потоке, поэтому значительная часть тока расходуется на разогрев воды в застойных зонах и локальный синтез продуктов электролиза, но не электрохимическое преобразование протекающей воды. Признаком существования застойных зон или областей замедленного течения является снижение тока при увеличении скорости течения воды.The geometric dimensions of the device satisfy the relations

and

0.7-0.8 where K is the interelectrode distance, mm;
L is the length of the working part of the electrode chamber, mm;
D _{s the} inner diameter of the cylindrical electrode, mm;
D _{in the} diameter of the middle part of the rod electrode, mm;
S _s , S _in the cross-sectional area of the chambers of the cylindrical and rod electrodes, respectively, m ² ;
The combination of the indicated sizes of the electrodes and the diaphragm ensures uniform distribution of the water flow over the surface of the electrodes and the same flow rate in any section of the electrode chamber. In the annular vertical smooth-walled electrode chambers there are no conditions for the formation of stagnant zones and zones of slow flow. Such zones adversely affect the characteristics of any electrolytic reactor, namely, electrochemical processes provoke their formation. For example, when water flows in a system of parallel flat electrodes, water layers of different thicknesses, flow inhomogeneities, the presence of sections with different electrochemical properties, etc. are observed. These zones have the ability to self-sustain and develop. The products of electrochemical reactions accumulate in them, forming precipitation of various densities. The conductivity of these zones is higher than in the flow, therefore, a significant part of the current is spent on heating water in stagnant zones and local synthesis of electrolysis products, but not the electrochemical conversion of flowing water. A sign of the existence of stagnant zones or areas of slow flow is a decrease in current with an increase in the speed of water flow.

Ширина электродных камер подобрана таким образом, чтобы соответствовать диаметру обращения части воды в микротороидальных потоках. Это препятствует появлению областей замедленного течения даже при малых объемных расходах. Ширина электродных камер удовлетворяет также двум другим требованиям. Расстояние между поверхностью электрода и диафрагмой не должно быть большим, чтобы не увеличивать омическое сопротивление между электродами, однако оно не должно быть слишком малым, чтобы не вызывать капиллярных и расклинивающих эффектов, препятствующих свободному течению воды с газовыми пузырьками. Длина электродных камер также определена с учетом реальных условий работы реактора. The width of the electrode chambers is selected in such a way as to correspond to the diameter of the circulation of part of the water in the microtoroid flows. This prevents the appearance of areas of slow flow, even at low volumetric flow rates. The width of the electrode chambers also satisfies two other requirements. The distance between the electrode surface and the diaphragm should not be large so as not to increase the ohmic resistance between the electrodes, however, it should not be too small so as not to cause capillary and wedging effects that impede the free flow of water with gas bubbles. The length of the electrode chambers is also determined taking into account the actual operating conditions of the reactor.

Электродные камеры не должны быть слишком длинными, чтобы резко не возрастало газонаполнение воды по мере ее приближения к выходу из элемента, но их длина должна обеспечивать достаточную степень электрохимического преобразования воды при однократном протоке. Типичным признаком повышения газонаполнения является увеличение силы тока при возрастании скорости течения воды. Указанное сочетание размеров ширины и длины электродных камер позволяет добиваться хорошего контакта с электродом всех микрообъемов воды. Пузырьки газов не затрудняют свободное течение воды в электродных камерах при конвективных режимах циркуляции, не создают застойных зон за счет капиллярного расклинивания, не увеличивают электрическое сопротивление в межэлектродном пространстве, т. е. в электродной камере не происходит их коалесценция, а значительная скорость удаления обеспечивает малое газонасыщение воды. Весь объем воды в камере находится под действием электрического поля значительной неоднородности, что порождает возникновение микроциркуляционных упорядоченных потоков с ускоренным массообменом в зоне двойного электрического слоя на поверхности электрода, где напряженность электрического поля достигает нескольких миллионов вольт на сантиметр. The electrode chambers should not be too long so that the gas filling of water does not increase sharply as it approaches the outlet of the element, but their length should provide a sufficient degree of electrochemical conversion of water in a single flow. A typical sign of an increase in gas filling is an increase in amperage with increasing water flow rate. The indicated combination of width and length of the electrode chambers allows achieving good contact with the electrode of all microvolumes of water. Gas bubbles do not impede the free flow of water in the electrode chambers under convective circulation modes, do not create stagnant zones due to capillary wedging, do not increase the electrical resistance in the interelectrode space, i.e., their coalescence does not occur in the electrode chamber, and a significant removal rate ensures a low gas saturation of water. The entire volume of water in the chamber is under the influence of an electric field of considerable heterogeneity, which causes the appearance of ordered microcirculation flows with accelerated mass transfer in the zone of the double electric layer on the electrode surface, where the electric field reaches several million volts per centimeter.

Недостатком известного решения являются высокие энергозатраты. Снижение энергозатрат по предложенному решению достигается за счет определенных соотношений размеров электролитической ячейки. Как показывают эксперименты, при соблюдении данных соотношений, указанных в формуле, при прочих равных условиях удельный расход энергии при обработке водопроводной воды составляет 0,75-1,25 кВт˙ч/м³, в то время как при несоблюдении этих соотношений расход энергии составляет около 3,0 кВт˙ч/м³, как в известном решении. При этом достигается и дополнительный эффект за счет остальных конструктивных решений, как улучшение гидравлического режима, оптимизация процесса за счет использования предложенной диафрагмы, а также снабжения устройства узлами, которые обеспечивают как улучшение гидродинамики устройства, так и повышение качества обработанной воды за счет разрушения соединений активного хлора.A disadvantage of the known solution is the high energy consumption. The reduction in energy consumption by the proposed solution is achieved due to certain ratios of the sizes of the electrolytic cell. As experiments show, subject to the given ratios specified in the formula, ceteris paribus, the specific energy consumption for the treatment of tap water is 0.75-1.25 kW˙h / m ³ , while if these ratios are not observed, the energy consumption is about 3.0 kWh / m ³ , as in the known solution. At the same time, an additional effect is achieved due to the remaining design solutions, such as improving the hydraulic mode, optimizing the process through the use of the proposed diaphragm, and also supplying the device with units that provide both improving the hydrodynamics of the device and improving the quality of the treated water due to the destruction of active chlorine compounds .

Диафрагма элемента выполняется из керамики на основе оксида циркония с добавлением оксидов алюминия и иттрия. Благодаря этому диафрагма обладает высокой устойчивостью к действию концентрированных и разбавленных водных растворов кислот, щелочей, окислителей, восстановителей, агрессивных газов хлора, озона и имеет срок службы, превышающий ресурс элемента (более 10000 ч). The diaphragm of the element is made of ceramic based on zirconium oxide with the addition of aluminum and yttrium oxides. Due to this, the diaphragm is highly resistant to concentrated and dilute aqueous solutions of acids, alkalis, oxidizing agents, reducing agents, aggressive gases of chlorine, ozone and has a service life exceeding the element's life (more than 10,000 hours).

Диафрагма является ультрафильтрационной и имеет протекаемость в пределах 0,5-2,0 мл/м˙ч˙Па. The diaphragm is ultrafiltrational and has a flow rate in the range of 0.5-2.0 ml / m˙h˙Pa.

Диафрагма, установленная между электродами с открытым (без сепаратора) зазором для протока воды, не изменяющая размеров и формы при перепадах давления, гидрофильная, с низким электрическим и высоким фильтрационным сопротивлением (за счет большого числа мелких открытых пор), тонкая, позволяет эффективно реализовать основные условия электрохимической (катодной и анодной) обработки воды, обеспечивающей наивысшую степень ее метастабильности. При такой обработке все продукты электрохимических реакций, включая высокозаряженные метастабильные частицы, полностью поступают в протекающую пресную воду и насыщают ее, равномерно распределяясь в объеме. Эти частицы так же, как стабильные ионы, участвуют в переносе заряда, но, достигая гидрофильной диафрагмы, адсорбируются на ее поверхности. Они почти не проникают вглубь, так как энергия взаимодействия с гидрофильной поверхностью материала диафрагмы выше энергии активации электромиграционного переноса, и поэтому не подвергаются взаимной нейтрализации. Образуются два заряженных слоя на поверхности диафрагмы, разность потенциалов между которыми достигает 2,5 В. За счет заряженных поверхностных ионных слоев напряженность электрического поля в диафрагме увеличивается на 30-40 В/см, что способствует повышению подвижности ионов в порах и снижает электрическое сопротивление. Снижению электрического сопротивления в межэлектродном пространстве способствует также появление самоорганизующихся диссипативных структур течения, обеспечивающих ускоренный транспорт заряженных частиц в электродной камере. Такие структуры возникают в соответствии с единой теорией фундаментального поля И. Л.Горловина в пространственно разделенных областях потери и захвата электрона при соответствии характеристических размеров системы (ширина и диаметр электродных камер, толщины диафрагмы) и параметров ее работы (минерализация воды, градиент концентраций, скоростей течения), величины подводимой энергии. The diaphragm installed between the electrodes with an open gap (without a separator) for water flow, which does not change size and shape under pressure drops, is hydrophilic, with a low electrical and high filtering resistance (due to the large number of small open pores), it is thin and allows the main conditions of electrochemical (cathodic and anodic) water treatment, providing the highest degree of its metastability. With this treatment, all products of electrochemical reactions, including highly charged metastable particles, completely enter the flowing fresh water and saturate it, evenly distributed in volume. These particles, like stable ions, participate in charge transfer, but, reaching a hydrophilic diaphragm, are adsorbed on its surface. They almost do not penetrate deep, since the energy of interaction with the hydrophilic surface of the material of the diaphragm is higher than the activation energy of electromigration transfer, and therefore they are not subject to mutual neutralization. Two charged layers are formed on the surface of the diaphragm, the potential difference between which reaches 2.5 V. Due to the charged surface ion layers, the electric field strength in the diaphragm increases by 30-40 V / cm, which increases the mobility of ions in the pores and reduces the electrical resistance. The appearance of self-organizing dissipative flow structures that accelerate the transport of charged particles in the electrode chamber also contributes to a decrease in electrical resistance in the interelectrode space. Such structures arise in accordance with the unified theory of the fundamental field of I. L. Gorlovin in spatially separated regions of electron loss and capture, according to the characteristic dimensions of the system (width and diameter of the electrode chambers, thickness of the diaphragm) and its operation parameters (water mineralization, concentration gradient, velocities flow), the magnitude of the input energy.

Гидрофильная керамическая диафрагма, кроме указанных, имеет еще несколько положительных свойств. Она нечувствительна к загрязнению воды органическими веществами, катионами тяжелых металлов. Легко и многократно может быть очищена от катодных отложений промывкой кислотой. Это дает электрохимическому реактору возможность долго и стабильно работать при минимальном количестве корректировок режима и операций технического обслуживания, которые не связаны с ее разбором, и так как диафрагма является жесткой, то облегчается ее установка и демонтаж, а также обеспечивается возможность ее работы при изменяющемся давлении. The hydrophilic ceramic diaphragm, in addition to the above, has several more positive properties. It is insensitive to water pollution by organic substances, heavy metal cations. It can be easily and repeatedly cleaned of cathode deposits by washing with acid. This gives the electrochemical reactor the opportunity to work for a long time and stably with a minimum of adjustments to the mode and maintenance operations that are not related to its analysis, and since the diaphragm is rigid, its installation and dismantling are facilitated, and its operation is possible under varying pressure.

Выполнение стержневого электрода переменного сечения таким образом, что диаметр его концевых частей составляет 0,75 диаметра его средней части, и размещение его в сборке таким образом, что средняя его часть, имеющая больший диаметр, находится между уровнями, ограниченными отверстиями в цилиндрическом электроде, позволяет снизить износ электрода, так как в местах выполнения отверстий изменяется конфигурация электрического поля между электродами, что может привести к созданию локальных повышений напряжения и неравномерному износу электродов. Также увеличение межэлектродного расстояния в этом месте позволяет обеспечить стабильность работы диафрагмы. Кроме того, снижается материалоемкость электрода. Выполнение диаметра концевых частей стержневого электрода меньше чем 0,75 диаметра его средней части нецелесообразно, так как приводит к образованию застойных зон. Выполнение их больше 0,75 диаметра не обеспечивает заданную степень ресурса работы электрода. The implementation of the rod electrode of variable cross section in such a way that the diameter of its end parts is 0.75 of the diameter of its middle part, and placing it in the assembly so that its middle part having a larger diameter is between the levels bounded by the holes in the cylindrical electrode, allows reduce electrode wear, as the configuration of the electric field between the electrodes changes at the holes where the holes are made, which can lead to the creation of local voltage increases and uneven wear of the electric odes. Also, an increase in the interelectrode distance in this place allows ensuring the stability of the diaphragm. In addition, the material consumption of the electrode is reduced. The implementation of the diameter of the end parts of the rod electrode is less than 0.75 of the diameter of its middle part is impractical, since it leads to the formation of stagnant zones. Performing them more than 0.75 diameter does not provide a given degree of service life of the electrode.

Электроды реактора изготовлены из титана. В зависимости от условий эксплуатации, которые определяются назначением реактора, они подвергаются соответствующей модификации поверхности. Наиболее типичные материалы электродных покрытий, используемых в данных реакторах, приведены в табл.1. The electrodes of the reactor are made of titanium. Depending on the operating conditions, which are determined by the purpose of the reactor, they undergo a corresponding surface modification. The most typical electrode coating materials used in these reactors are shown in Table 1.

Платиновые и платиново-иридиевые покрытия являются стойкими как при анодной, так и при катодной поляризации, поэтому переключение ячейки с режима катодной обработки воды на анодную достигается изменением полярности электродов. Platinum and platinum-iridium coatings are resistant to both anodic and cathodic polarization, therefore, switching the cell from the cathodic treatment of water to the anodic is achieved by changing the polarity of the electrodes.

Если в качестве анодного покрытия используются диоксид рутения или диоксид марганца, то титановый катод полируют или наносят пирографитовое покрытие и полярность электродов во все время эксплуатации не изменяют. Переход с катодного режима на анодный в этом случае производят путем гидравлических переключений. Покрытие пирографитом и полировка титанового электрода снижают скорость образования отложений не только на поверхности электрода, но и на диафрагме. If ruthenium dioxide or manganese dioxide is used as the anode coating, then the titanium cathode is polished or a pyrographic coating is applied and the polarity of the electrodes is not changed during operation. The transition from cathode to anode mode in this case is carried out by hydraulic switching. Pyrographite coating and polishing of a titanium electrode reduce the rate of deposit formation not only on the electrode surface, but also on the diaphragm.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Обрабатываемая вода подается из напорного источника 1 в анодную камеру 4 проточного типа работающего под повышенным давлением электрохимического реактора модульного типа с пористой ультрафильтрационной керамической диафрагмой 3. Во время протока через анодную камеру происходит образование активного хлора из солей, которые составляют естественную минерализацию любой питьевой воды. Соединения активного хлора полностью уничтожают все микроорганизмы и окисляют органические примеси с образованием нетоксичных и неопасных для человека веществ. После выхода из анодной камеры вода проходит через катализатор 6, на котором происходит разрушение активного хлора. The treated water is supplied from the pressure source 1 to the flow-through anode chamber 4 of a modular type electrochemical reactor operating under high pressure with a porous ultrafiltration ceramic diaphragm 3. During the flow through the anode chamber, active chlorine is formed from salts, which constitute the natural mineralization of any drinking water. Active chlorine compounds completely destroy all microorganisms and oxidize organic impurities with the formation of non-toxic and non-hazardous substances. After exiting the anode chamber, water passes through a catalyst 6, on which active chlorine is destroyed.

Катализатор выполнен из плотного углеродного материала, например графита МПГ-6, с нанесенным на его поверхность тонким слоем (около 1 мкм) диоксида марганца. Скорость разрушения соединений активного хлора на таком катализаторе в 1,8 раз выше, чем на пиролюзите (MnO₂). Затем вода поступает в катодную камеру 5 электрохимического реактора, в котором происходит прямое электрохимическое и каталитическое восстановление органических примесей. Ионы тяжелых металлов превращаются в нейтральные атомы, которые становятся нетоксичными для организма человека и не вступают в биологические реакции окисления. В катодной камере установки происходит смещение окислительно-восстановительного потенциала до уровня, соответствующего внутренней среде организма человека. В результате повышается биологическая ценность воды, ее способность проникать сквозь биологические мембраны клеток и участвовать в процессах обмена. Проток воды через емкость с катализатором в направлении снизу вверх обеспечивает более равномерный контакт всех микрообъемов воды с поверхностью частиц катализатора, чем при любом другом направлении протока.The catalyst is made of a dense carbon material, for example, MPG-6 graphite, with a thin layer (about 1 μm) of manganese dioxide deposited on its surface. The rate of destruction of active chlorine compounds on such a catalyst is 1.8 times higher than on pyrolyusite (MnO ₂ ). Then, water enters the cathode chamber 5 of the electrochemical reactor, in which direct electrochemical and catalytic reduction of organic impurities takes place. Heavy metal ions turn into neutral atoms, which become non-toxic to the human body and do not enter into biological oxidation reactions. In the cathode chamber of the apparatus, the redox potential shifts to a level corresponding to the internal environment of the human body. As a result, the biological value of water increases, its ability to penetrate the biological membranes of cells and participate in metabolic processes. The flow of water through the container with the catalyst in the direction from the bottom up provides a more uniform contact of all microvolumes of water with the surface of the catalyst particles than with any other flow direction.

Все материалы, из которых выполнены элементы установки, соприкасающиеся с водой, разрешены к применению в медицинской практике. All materials from which the installation elements in contact with water are made are approved for use in medical practice.

Кроме того, при прочих равных условиях, удельный расход энергии при обработке водопроводной воды по предлагаемому решению составляет 0,75-1,25 кВт х ч/м³, по известному 3,0 кВт х ч/м³.In addition, ceteris paribus, the specific energy consumption for the treatment of tap water according to the proposed solution is 0.75-1.25 kW x h / m ³ , according to the known 3.0 kW x h / m ³ .

Технические характеристики устройства следующие: Производительность, л/ч 50-90 Потребляемая мощность, Вт 40-60 Напряжение питающей сети, В 220 Частота, Гц 50-60 Минимальное время непрерыв- ной работы, ч 6000 Габаритные размеры, мм 130х520 Масса, кг 1,2 Минерализация исходной воды, г/л 0,1-2,0
Предлагаемое устройство обеспечивает получение высококачественной питьевой воды из воды со степенью загрязненности, во много раз превышающей предельно допустимые концентрации, исключая механические примеси.The technical characteristics of the device are as follows: Productivity, l / h 50-90 Power consumption, W 40-60 Supply voltage, V 220 Frequency, Hz 50-60 Minimum time for continuous operation, h 6000 Overall dimensions, mm 130х520 Weight, kg 1 , 2 Mineralization of the source water, g / l 0.1-2.0
The proposed device provides high-quality drinking water from water with a degree of contamination many times higher than the maximum permissible concentration, excluding mechanical impurities.

Данные по качеству воды приведены в табл.2. Data on water quality are given in table 2.

Claims

A device for cleaning and disinfecting water, containing an electrochemical cell made of vertical coaxial cylindrical and rod electrodes installed in dielectric bushings, a ceramic diaphragm, coaxially mounted in the bushings between the electrodes and dividing the interelectrode space into the electrode chambers, water supply and discharge lines a channel for supplying a rod electrode to the chamber is made in the lower sleeve, and a channel for draining water from the chambers is made in the upper sleeve s rod electrode connected to the drainage line of the treated water, and a current source connected to the electrodes through the switching unit, characterized in that the diaphragm is made of ultrafiltration of ceramic based on zirconium oxide with additives of aluminum and yttrium oxides and installed so that the geometric dimensions of the cell satisfy the relations
K / lnL D _s / D _b ; S _s / S _b 0.7 0.8,
where K is the interelectrode distance, mm;
L is the length of the working part of the electrode chamber, mm;
D _{s the} inner diameter of the cylindrical electrode, mm;
D _{b the} diameter of the middle part of the rod electrode, mm;
S _s and S _b the cross-sectional area of the chambers of the cylindrical and rod electrodes, respectively, m ² ,
holes are made in the upper and lower parts of the cylindrical electrode, the lower of which is connected to the water supply line, the rod electrode is made of variable cross-section and the diameter of its end parts is 0.75 of the diameter of its middle part, and the rod electrode is installed so that its middle part is located at a level limited by holes in the upper and lower parts of the cylindrical electrode, the cylindrical electrode is connected to the positive and the rod to the negative pole of the current source, the device It additionally contains a container with a catalyst having an entrance at the top and an exit at the bottom of the container, the entrance to the container with a catalyst connected to the hole in the upper part of the cylindrical electrode, and the outlet of the container with a catalyst connected to a channel for supplying water to the core electrode chamber.