RU2042639C1 - Device for electrochemical treatment of water - Google Patents
Device for electrochemical treatment of water Download PDFInfo
- Publication number
- RU2042639C1 RU2042639C1 SU5035767/26A SU5035767A RU2042639C1 RU 2042639 C1 RU2042639 C1 RU 2042639C1 SU 5035767/26 A SU5035767/26 A SU 5035767/26A SU 5035767 A SU5035767 A SU 5035767A RU 2042639 C1 RU2042639 C1 RU 2042639C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- water
- bushings
- cylindrical
- electrodes
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в процессах, связанных с электрохимическим регулированием кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности воды, в частности при отмывке электрохимически обработанной водой фармацевтической посуды. The invention relates to chemical technology and can be used in processes associated with the electrochemical regulation of acid-base, redox properties and catalytic activity of water, in particular when washing pharmaceutical dishes electrochemically treated with water.
Для отмывки используются слабощелочной католит (катодно электрохимически обработанная вода) и слабокислотным анолит (вода, подвергнутая анодной электрохимической обработке). For washing, a slightly alkaline catholyte (cathodically electrochemically treated water) and a weakly acid anolyte (water subjected to anodic electrochemical treatment) are used.
Католит и анолит функционально представляют собой моющий и дезинфицирующий растворы. Catholyte and anolyte are functionally washing and disinfecting solutions.
В прикладной электрохимии используются электролизеры различных конструкций, обеспечивающие обработку воды. In applied electrochemistry, electrolyzers of various designs are used that provide water treatment.
Известно устройство для получения католита и анолита из подсоленной воды, использующихся соответственно в качестве моющего и обеззараживающего растворов в медицине [1] Устройство включает в себя диафрагменный проточный электролизер с плоскими электродами и блок питания, совмещенный с блоком управления. Плоские электродные камеры снижают КПД электролизера, так как в нем образуются застойные зоны и области преимущественно протока воды. Большая протекаемость диафрагмы приводит к смешению продуктов анодных и катодных электрохимических реакций. Керамический материал диафрагмы и соотношение размеров электродных камер не позволяет создать самоорганизующейся структуры течения в потоке воды, протекающей у электродов, что не позволяет уменьшить электрическое сопротивление между электродами. A device for producing catholyte and anolyte from salted water, respectively used as a washing and disinfecting solutions in medicine [1]. The device includes a diaphragm flow electrolyzer with flat electrodes and a power supply combined with a control unit. Flat electrode chambers reduce the efficiency of the electrolyzer, since stagnant zones and areas of mainly water flow are formed in it. The large leakage of the diaphragm leads to a mixture of the products of the anodic and cathodic electrochemical reactions. The ceramic material of the diaphragm and the ratio of the sizes of the electrode chambers does not allow creating a self-organizing flow structure in the flow of water flowing at the electrodes, which does not allow reducing the electrical resistance between the electrodes.
Высокая концентрация исходного солевого раствора не позволяет продуцировать в большом количестве суперактивные соединения, препятствуют разрыхлению структуры воды, что снижает эффективность растворов. Происходит загрязнение окружающей среды отработанными растворами с большой концентрацией соли и устойчивыми продуктами электролиза. The high concentration of the initial saline solution does not allow the production of superactive compounds in large quantities, and prevents the loosening of the water structure, which reduces the effectiveness of the solutions. Environmental pollution occurs with spent solutions with a high salt concentration and stable electrolysis products.
При периодической смене полярности электродов (при переключении режимов "анолит", "католит") происходит восстановление рутения на электродах ОРТА, после чего он, растворяясь, попадает в раствор. When the polarity of the electrodes is periodically changed (when the anolyte and catholyte modes are switched), ruthenium is restored on the ORTA electrodes, after which it dissolves and enters the solution.
Невысокая химическая стойкость керамической диафрагмы приводит к поступлению соединений кремния в католит. The low chemical resistance of the ceramic diaphragm leads to the entry of silicon compounds into the catholyte.
Наибольшая степень электрохимического превращения из 9 г хлористого натрия, растворенного в 1 л, получается в обычном режиме работы 0,6 г соединений активного хлора. The highest degree of electrochemical conversion of 9 g of sodium chloride, dissolved in 1 l, is obtained in normal operation, 0.6 g of active chlorine compounds.
И, наконец, еще одним недостатком известной конструкции является сложность и большие трудозатраты при сборке и ремонте электролизера с плоскими электродами, так как необходимо осуществлять герметизацию комплекта электродов. And, finally, another drawback of the known design is the complexity and great labor costs in the assembly and repair of the electrolytic cell with flat electrodes, since it is necessary to seal the set of electrodes.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является устройство для электролиза воды [2] которое состоит 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, сообщающееся 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 устранения катодных отложений с одновременным переключением гидравлических линий, обеспечивающих постоянное поступление растворов из анодной и катодной камеры без смешения. Отмечено, что в процессе эксплуатации данного устройства возможно получение электрохимически обработанной воды с бактерицидными свойствами. The closest in technical essence and the achieved result is a device for water electrolysis [2] which consists of a cylindrical electrolyzer with coaxial 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 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 eliminate cathode deposits with the simultaneous switching of hydraulic lines, ensuring a constant flow of solutions from the anode and cathode chamber without mixing. It is noted that during the operation of this device, it is possible to obtain electrochemically treated water with bactericidal properties.
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 необходима 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 more current is needed at a constant volume flow 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 малой минерализации исходной воды. In addition, the device does not provide stability characteristics of the resulting solutions with low salinity of the source water.
При необходимости значительного увеличения или уменьшения производительности установки следует использовать электролизеры соответствующих размеров и, следовательно, различной конструкции. При этом каждое конкретное конструктивное исполнение электролизера имеет наибольшую эффективность для заранее определенных условий работы и не может быть рационально использовано в широком диапазоне минерализации, объемных расходов, удельных затрат количества электричества и других параметров. If it is necessary to significantly increase or decrease the productivity of the installation, electrolyzers of appropriate sizes and, therefore, of various designs should be used. Moreover, each specific design of the electrolyzer has the greatest efficiency for predetermined working conditions and cannot be rationally used in a wide range of mineralization, volumetric costs, unit costs of the amount of electricity and other parameters.
Конструктивные отличия электролизеров различной мощности требуют для каждого из них индивидуальных комплектов основных, запасных деталей и узлов, приспособлений для сборки, наладки, ремонта и обслуживания. Электролизеры, изготовленные по одной и той же конструктивной схеме, но имеющие различные геометрические размеры не схожи по своим электрохимическим характеристикам. Это обуславливает необходимость разрабатывать для каждого типа и вида электролизера специальные правила эксплуатации. Design differences of electrolyzers of various capacities require for each of them individual sets of basic, spare parts and assemblies, and devices for assembly, commissioning, repair and maintenance. Electrolyzers manufactured according to the same structural scheme, but having different geometric dimensions, are not similar in their electrochemical characteristics. This necessitates the development of special operating rules for each type and type of electrolyzer.
Сборка и разборка электролизеров большой мощности связаны со значительными затратами труда и материалов. The assembly and disassembly of high-power electrolyzers is associated with significant labor and material costs.
В электролизерах большой мощности диафрагма и электроды, имеющие развитую поверхность, испытывают значительные деформирующие усилия при изменениях давления и скорости потоков воды. Это снижает надежность и долговечность конструкции, приводит к ухудшению технических характеристик из-за нарушения геометрической формы электродных камер. Особенно сильно такое ухудшение проявляется при обработке воды с малым солесодержанием, поскольку возникают саморазвивающиеся процессы локального концентрирования продуктов электролиза, которые сопряжены с образованием застойных зон, местных разогревов и появлением "пятнистой" проводимости. In electrolyzers of high power, the diaphragm and electrodes having a developed surface experience significant deforming forces with changes in pressure and water flow rate. This reduces the reliability and durability of the structure, leads to deterioration of technical characteristics due to violation of the geometric shape of the electrode chambers. This deterioration is especially pronounced during the treatment of water with low salinity, since self-developing processes of local concentration of electrolysis products occur, which are associated with the formation of stagnant zones, local heating and the appearance of "spotted" conductivity.
Цель изобретения упрощение конструкции, снижение трудозатрат при сборке и разборке устройства, а также расширение функциональных возможностей за счет обеспечения различной производительности. The purpose of the invention is to simplify the design, reduce labor costs when assembling and disassembling the device, as well as expanding the functionality by providing different performance.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для электрохимической обработки воды, содержащем электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов, установленных в диэлектрических втулках, керамической диафрагму, коаксиально установленной на втулках между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, причем в нижней и верхней втулках выполнены каналы для подвода и отвода обрабатываемой воды в камеру стержневого электрода, источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, а также приспособления для подачи и отвода обрабатываемой воды в электродные камеры электрохимической ячейки, устройство содержит по меньшей мере одну ячейку, каналы во втулках выведены на боковые поверхности втулок, диафрагма выполнена ультрафильтрационной из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия и установлена таким образом, что геометрические размеры ячейки удовлетворяют соотношениям
L длина рабочей части электродной камеры, мм;
Ds внутренний диаметр цилиндрического электрода, мм;
Db диаметр средней части стержневого электрода, мм;
Ss, Sb площади поперечного сечения камер соответственно цилиндрического и стержневого электродов, м2.This goal is achieved by the fact that in a device for electrochemical water treatment containing an electrochemical cell made of vertical coaxial cylindrical and rod electrodes mounted in dielectric bushings, a ceramic diaphragm coaxially mounted on the bushings between the electrodes and dividing the interelectrode space into the electrode chambers, and in the lower and upper bushings made channels for the supply and removal of treated water into the chamber of the rod electrode, a current source, with Connected to the electrodes through the switching unit, as well as devices for supplying and discharging the treated water to the electrode chambers of the electrochemical cell, the device contains at least one cell, channels in the bushings are led to the side surfaces of the bushes, the diaphragm is made of ultrafiltration zirconium oxide-based ceramic with additives oxides of aluminum and yttrium and is installed in such a way that the geometric dimensions of the cell satisfy the relations
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 , S b 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 для отвода и подачи обрабатываемой воды в камеру цилиндрического электрода, 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 с большим диаметром расположена на уровне, ограниченном отверстиями в верхней и нижней частях цилиндрического электрода. In the upper and lower parts of the cylindrical electrode, holes are made for withdrawing and supplying the treated water to the chamber 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 large diameter is located at a level bounded by holes in the upper and lower parts of the cylindrical electrode.
Кроме того, диэлектрические втулки и цилиндрический электрод выполнены с одинаковым внешним диаметром, на поверхности цилиндрического электрода соответственно над отверстием в нижней части и под отверстием в верхней части и на поверхности втулок соответственно под и над отверстиями каналов выполнены канавки, приспособления для подвода и отвода воды выполнены соответственно в виде нижнего и верхнего коллекторов из диэлектрического материала с цилиндрическими гнездами в каждом и подводящими и отводящими каналами, и ячейка жестко закреплена в гнездах с помощью упругих прокладок, размещенных в канавках втулок и цилиндрического электрода, причем подводящие и отводящие каналы ячейки и коллекторов соединены гидравлически. In addition, the dielectric bushings and the cylindrical electrode are made with the same outer diameter, grooves are made on the surface of the cylindrical electrode, respectively, above the hole in the lower part and under the hole in the upper part and on the surface of the bushings, respectively, under the channel openings and water supply and discharge devices respectively, in the form of lower and upper collectors made of dielectric material with cylindrical sockets in each of both supply and discharge channels, and the cell is tightly closed It is insulated in the nests with the help of elastic gaskets located in the grooves of the bushings and the cylindrical electrode, and the inlet and outlet channels of the cell and collectors are hydraulically connected.
Коллекторы могут быть выполнены в виде монолитной детали, с несколькими гнездами или в виде сборной конструкции из блоков с одним гнездом, и имеющей средства для герметизации и стягивания конструкции, причем ячейки, установленные в гнездах, соединены параллельно гидравлически, а узел коммутации соединен с электродами всех ячеек, причем ячейки электрически соединены последовательно, или параллельно, или последовательно-параллельно. The collectors can be made in the form of a monolithic part, with several sockets or in the form of a prefabricated structure of blocks with one socket, and having means for sealing and tightening the structure, the cells installed in the sockets are connected in parallel hydraulically, and the switching unit is connected to the electrodes of all cells, the cells being electrically connected in series, or in parallel, or in series-in parallel.
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 потока. 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 наблюдается перемещение разных по толщине слоев 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 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 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, there is a displacement of water layers of different thicknesses, flow heterogeneity, the presence of sections with different electrochemical properties, etc. 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 микроторроидальных 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. 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 microtoroidal 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 real working conditions.
Электродные камеры не должны быть слишком длинными, чтобы резко не возросло газонаполнение воды по мере ее приближения к выходу, но их длина должна обеспечивать достаточную степень 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 масообменом 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, but their length should provide a sufficient degree of water conversion 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, and 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 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 a double electric layer on the electrode surface, where the electric field reaches several million volts per centimeter.
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 life of the element (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 также 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 дисситивных 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. Гидрофильная керамическая диафрагма, кроме указанных имеет еще несколько положительных свойств. Она не чувствительна 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 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, as well as stable ions, participate in charge transfer, but reach a hydrophilic diaphragm and 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 migration and therefore they are not mutually neutralized. 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 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 provide accelerated 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. The hydrophilic ceramic diaphragm, in addition to these, has several more positive properties. It is not sensitive to water pollution with 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, as well as the possibility of its operation under varying pressure.
Электроды ячейки изготовлены из титана. В зависимости от условий эксплуатации, которые определяются назначением реактора, они подвергаются соответствующей модификации поверхности. Наиболее типичные материалы электродных покрытий, используемых в ячейках, приведены в табл.1. The cell electrodes 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 materials of electrode coatings used in cells 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.
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.
Выполнение в нижней и верхней частях цилиндрического (трубчатого) электрода отверстий, соединенных соответственно с линиями подачи и отвода обрабатываемой воды, приводит к созданию оптимальных гидродинамических условий в камере цилиндрического электрода. Кроме того, это приводит к упрощению конструкции в целом, так как снижается сложность изготовления и монтажа диэлектрических втулок, упрощается регулирование скорости протока воды через камеру цилиндрического электрода. The implementation of holes in the lower and upper parts of the cylindrical (tubular) electrode, connected respectively to the supply and discharge lines of the treated water, creates optimal hydrodynamic conditions in the chamber of the cylindrical electrode. In addition, this leads to a simplification of the design as a whole, since the complexity of the manufacture and installation of dielectric bushings is reduced, the regulation of the speed of the water flow through the chamber of the cylindrical electrode is simplified.
Для исключения возможных гидравлических сопротивлений в замкнутых гидравлических пространствах подвода и отвода воды на поверхности втулок и цилиндрического электрода на уровне отверстий выполнены канавки таким образом, что отверстия расположены в канавках. Таким образом, при сборке не требуется строгая соосность каналов в коллекторах и электролитических реакторах, так как площадь образующегося проходного сечения достаточна для снятия гидравлических напряжений. To eliminate possible hydraulic resistances in closed hydraulic spaces for supplying and discharging water, grooves are made on the surface of the bushings and the cylindrical electrode at the level of the holes so that the holes are located in the grooves. Thus, during assembly, strict alignment of the channels in the collectors and electrolytic reactors is not required, since the area of the formed flow section is sufficient to relieve hydraulic stresses.
Известно увеличение производительности устройства за счет количественного увеличения электролитических модулей. It is known to increase the productivity of the device due to the quantitative increase in electrolytic modules.
Однако в известном устройстве модули располагаются в общем корпусе, что приводит к увеличению габаритов устройства, кроме того, в известном решении не предусматривается возможность отвода продуктов от каждого конкретного модуля. However, in the known device, the modules are located in a common housing, which leads to an increase in the dimensions of the device, in addition, the known solution does not provide for the possibility of diverting products from each specific module.
В прикладной электрохимии известно обеспечение заданной производительности электрохимического процесса за счет выполнения электролизера сборным из отдельных ячеек, содержащих электроды и диафрагмы, при однократном протоке электролита через ячейку. Недостатком известного решения является то, что электрохимические ячейки содержат плоские электроды и, следовательно, для обеспечения нормальной работы предъявляются большие требования к строгой параллельности электродов при сборке устройства. Кроме того, для извлечения отдельных ячеек требуется разборка электролизера в целом. In applied electrochemistry, it is known to provide a given performance of an electrochemical process by performing an electrolyzer with a combined assembly of separate cells containing electrodes and diaphragms with a single flow of electrolyte through the cell. A disadvantage of the known solution is that the electrochemical cells contain flat electrodes and, therefore, to ensure normal operation, great demands are made on the strict parallelism of the electrodes when assembling the device. In addition, to extract individual cells requires disassembly of the cell as a whole.
Предложенное устройство состоит из ячеек, имеющих в своем составе одинаковые электроды и диафрагмы, что приводит к унификации конструкции и снижению трудозатрат при сборке. The proposed device consists of cells having the same electrodes and diaphragms, which leads to the unification of the design and reduce labor costs during assembly.
В предложенном устройстве ячейки установлены в гладких цилиндрических гнездах нижнего и верхнего коллекторов. Такая компановка приводит к снижению трудозатрат при сборке и разборке, экономии материалов, так как гладкие цилиндрические одинаковые гнезда наиболее просты в исполнении и надежны при многократных заменах элементов, равнопрочны при минимальном объеме окружающего их материала коллектора. In the proposed device, the cells are installed in smooth cylindrical nests of the lower and upper collectors. Such a layout reduces labor costs during assembly and disassembly, and saves materials, since smooth cylindrical identical sockets are the easiest to execute and reliable when repeatedly replacing elements, equally strong with a minimum amount of collector material surrounding them.
Коллекторы имеют по два канала, сообщенных в нижнем коллекторе со входами в электродные камеры электролитических ячеек, а в верхнем с выходами этих камер. Это приводит к упрощению конструкции за счет выполнения в одном узле (в верхнем или нижнем коллекторах) всех гидравлических соединений без применения отдельных трубопроводов. The collectors have two channels, communicated in the lower collector with the entrances to the electrode chambers of the electrolytic cells, and in the upper one with the exits of these chambers. This leads to a simplification of the design due to the execution in one node (in the upper or lower manifolds) of all hydraulic connections without the use of separate pipelines.
Герметизация каждой электролитической ячейки в гнезде обеспечивается тремя уплотнительными унифицированными кольцами, расположенными в кольцевых канавках на поверхностях электролитической ячейки и втулки, а в двух промежутках между кольцами расположены отверстия входы и выходы электродных камер. Такое выполнение позволяет обеспечить экономию материала, уменьшить габариты, упростить конструкцию. Герметизация стандартными уплотнительными кольцами позволяет обеспечить быструю сборку реактора и оперативную замену электролитических элементов при ремонте. The sealing of each electrolytic cell in the socket is provided by three unified sealing rings located in the annular grooves on the surfaces of the electrolytic cell and the sleeve, and the openings of the inputs and outputs of the electrode chambers are located in two gaps between the rings. This embodiment allows to save material, reduce dimensions, simplify the design. Sealing with standard o-rings allows for quick assembly of the reactor and quick replacement of electrolytic cells during repair.
Выполнение коллектора из диэлектрического материала позволяет исключить гальваническую связь между электролитическими элементами помимо коммутационного узла. The execution of the collector from a dielectric material eliminates the galvanic connection between the electrolytic cells in addition to the switching unit.
Коллектор может быть в виде одной детали с гнездами для электролитических элементов, канавками для основных потоков и отверстиями для распределения воды. Это обеспечивает компактность конструкции электролизера. The collector can be in the form of a single part with sockets for electrolytic cells, grooves for the main flows and holes for the distribution of water. This ensures a compact design of the cell.
Возможна сборка отдельных модулей, что позволяет в каждом конкретном случае обеспечить требуемую производительность за счет подбора оптимального числа ячеек. В этом случае коллектор состоит из коллекторной пластины с каналами, к боковым поверхностям которой протянуты с помощью шпилек коллекторные колодки с гнездами для электролитических элементов и отверстиями, совмещенными через уплотнения с отверстиями в коллекторной пластине, соединенными с каналами для основных потоков. При этом достигается как упрощение конструкции, так и расширение функциональных возможностей устройства, т.е. электролизер любой производительности собирается с минимальными трудозатратами из электролитических элементов, закрепленных в коллекторной пластине соответствующей длины при помощи коллекторных колодок. Упрощается сборка электролизера и замена элементов при ремонте. Каждый электрод электролизера соединен с устройством, обеспечивающим последовательное, параллельное или смешанное соединение электролитических элементов между собой. Это позволяет в зависимости от минерализации обрабатываемой воды избирать наиболее оптимальную электрическую схему соединения электролитических элементов и обеспечить экономию электроэнергии, повышая при этом КПД устройства и расширяя допустимый диапазон минерализации воды. The assembly of individual modules is possible, which allows in each case to provide the required performance by selecting the optimal number of cells. In this case, the collector consists of a collector plate with channels, collector pads with sockets for electrolytic cells and holes aligned through seals with holes in the collector plate connected to the channels for main flows through the pins, extended to the lateral surfaces of the collector. In this case, both a simplification of the design and an expansion of the functionality of the device, i.e. an electrolyzer of any capacity is assembled with minimal labor from electrolytic cells fixed in a collector plate of an appropriate length using collector pads. Assembly of the cell and replacement of elements during repair are simplified. Each electrode of the electrolyzer is connected to a device that provides a series, parallel or mixed connection of electrolytic cells with each other. This allows, depending on the salinity of the treated water, to select the most optimal electrical circuit for connecting electrolytic cells and to save energy, while increasing the efficiency of the device and expanding the allowable range of water salinity.
На фиг. 1 представлено устройство для электрохимической обработки воды; на фиг. 2 электролитическая ячейка модульного типа; на фиг.3 принципиальные гидравлические схемы подключения ячеек; на фиг.4 типовые схемы электрических соединений электродов ячеек в устройстве. In FIG. 1 shows a device for electrochemical water treatment; in FIG. 2 electrolytic cell of modular type; figure 3 schematic hydraulic circuitry for connecting cells; figure 4 typical circuit electrical connections of the electrodes of the cells in the device.
Устройство для электрохимической обработки воды (фиг.1) содержит коллекторные колодки 1, закрепленные герметично при помощи уплотнительных колец 2 на верхнем и нижнем коллекторах 3, 4, длина которых соответствует длине ячеек 5. A device for the electrochemical treatment of water (Fig. 1) contains
Ячейка 5 (фиг.2) представляет собой миниатюрный диафрагменный электролизер с коаксиальным расположением внешнего, цилиндрического 6 и внутреннего стержневого 7 электродов и трубчатой керамической диафрагмы 8 между ними. Электроды и диафрагма герметично жестко закреплены при помощи эластичных уплотнительных колец 9, 10 и торцовых втулок 11 из диэлектрического материала, являющихся продолжением внешней цилиндрической поверхности ячейки (цилиндрического электрода). На внешней поверхности ячейки расположены входы 12, 13 и выходы 14, 15 электродных камер. Они выполнены в виде отверстий в торцовых втулках 11 и цилиндрическом электроде 6 у его концов, в промежутках между канавками для уплотнительных колец 16. Сборка и герметизация электролитического элемента производится при стягивании втулок 11 к торцам электрода 6 гайками 17 с шайбами 18 на концах электрода 7. Зазоры между электродами 1 и 2 и диафрагмой 3 равны 1,2 мм. Расстояние между электродами 6 и 7 равно 3 мм, толщина ультрафильтрационной диафрагмы 8 на основе оксида циркония находится в пределах 0,58-0,62 мм. Диаметр внутреннего стержневого электрода равен 6-8 мм. Длина рабочей части диафрагмы составляет 200 мм. Рабочая поверхность диафрагмы заключена между уплотнительными кольцами. Площадь рабочей поверхности цилиндрического электрода составляет 88 см2, стержневого 50 см2. Отношение площади поверхности электрода к объему раствора в соответствующей электродной камере равно 3,3 м.Cell 5 (figure 2) is a miniature diaphragm electrolyzer with a coaxial arrangement of the outer, cylindrical 6 and
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Исходная обрабатываемая вода из емкости по водопроводным коммуникациям раздельно подается через регуляторы расхода в анодную и катодную камеры ячейки. С помощью расходомера устанавливаются необходимые соотношения объемных расходов католита и анолита. Включается источник тока (например, ИП-2). После проведения электрохимической обработки из ячейки по отдельным трубопроводам анолит и католит поступают в емкости-накопители. Электрохимическая обработка воды производится во время ее однократного протока снизу вверх в катодной и анодной камере ячейки. The source treated water from the tank through the water supply is separately supplied through flow regulators to the anode and cathode cells of the cell. Using a flow meter, the necessary ratios of volumetric flow rates of catholyte and anolyte are established. The current source is turned on (for example, IP-2). After conducting electrochemical processing from the cell through separate pipelines, the anolyte and catholyte enter the storage tanks. The electrochemical treatment of water is carried out during its single flow from the bottom up in the cathode and anode chamber of the cell.
Основной реакцией в катодной камере является восстановление воды на катоде под действием электрического тока
2 Н2О + 2е Н2 + 2 ОН-.The main reaction in the cathode chamber is the restoration of water at the cathode under the influence of an electric current
2 Н 2 О + 2е Н 2 + 2 ОН - .
Кроме того, на катоде с образованием высокоактивных соединений протекает целая гамма реакций, результатом которых является усиление основной и восстановительной и ослабление кислотной и окислительной активности воды в химических реакциях. In addition, a whole gamma of reactions takes place at the cathode with the formation of highly active compounds, the result of which is an increase in the basic and reducing and weakening of the acid and oxidative activity of water in chemical reactions.
На аноде при протекании тока происходит окисление воды
2 Н2О + 4е 4Н+ + О2
Если в воде содержатся хлориды, то наряду с кислородом на аноде выделяется газообразный хлор. Так же протекают многочисленные реакции окисления воды и растворенных в ней веществ, которые сопровождаются появлением высокореакционных продуктов и приводят к усилению кислотной и окислительной, а также к ослаблению основной и восстановительной активности воды.At the anode, when current flows, water oxidizes
2 Н 2 О + 4е 4Н + + О 2
If the water contains chlorides, then along with oxygen, chlorine gas is released on the anode. Numerous oxidation reactions of water and the substances dissolved in it also occur, which are accompanied by the appearance of highly reactive products and lead to an increase in acid and oxidation, as well as to a weakening of the basic and reducing activity of water.
Современные технические системы для электрохимической активации позволяют производить четыре основных типа активированных сред, отличающихся принципиально, но не имеющих четко очерченных границ между собой. Modern technical systems for electrochemical activation make it possible to produce four basic types of activated media that differ fundamentally, but do not have clearly defined boundaries between themselves.
А кислотный анолит, имеющий рН < 5;
АН нейтральный анолит, имеющий рН 5-7;
КН нейтральный католит, имеющий рН 7-9;
К щелочной католит, имеющий рН > 9.A acid anolyte having a pH <5;
AN neutral anolyte having a pH of 5-7;
KH neutral catholyte having a pH of 7-9;
K alkaline catholyte having a pH> 9.
Реакторы подключают к линиям подачи воды и электроэнергии. Reactors are connected to water and electricity supply lines.
Соответственно существуют разнообразные гидравлические и электрические схемы подключения. Accordingly, there are a variety of hydraulic and electrical wiring diagrams.
На фиг.3 показаны принципиальные гидравлические схемы подключения реакторов. Эти схемы являются основными. Другие схемы подключения могут быть получены сочетанием элементов данных схем в различных вариантах. Figure 3 shows the hydraulic circuit diagram of the connection of the reactors. These schemes are basic. Other connection schemes can be obtained by combining the elements of these schemes in various ways.
На фиг. 3а изображена схема одновременного получения воды, подвергнутой анодной и катодной электролитической обработке, соответственно анолита и католита. In FIG. 3a shows a diagram of the simultaneous production of water subjected to anodic and cathodic electrolytic treatment, respectively, of anolyte and catholyte.
Объемные расходы анолита и католита могут быть одинаковыми, либо отличаться в несколько раз (2-100). Регулировку объемных расходов анолита и католита возможно осуществлять путем увеличения гидравлического сопротивления на входных линиях в реактор, реже на выходных. В анодную и катодную камеры можно подавать воду различной или одной и той же минерализации. Соотношение минерализации потоков воды, поступающих в анодную и катодную камеры, может быть 1-100 и более. Как правило, потоку воды с большей минерализацией должен соответствовать больший объемный расход и наоборот, потоку с большей минерализацией должен соответствовать меньший объемный расход. Ориентировочно данное соотношение выражается уравнением
Q1 ˙ C1 Q2 ˙ C2, где Q1 объемный расход воды через одну из электродных камер реактора, условно называемой первой, л/ч;
С1 минерализация воды, поступающей в первую камеру, г/л (моль/л);
Q2 объемный расход воды через другую электродную камеру реактора, условно называемую второй, л/ч;
С2 минерализация воды, поступающей во вторую камеру, г/л (моль/л).The volumetric expenses of anolyte and catholyte can be the same or differ several times (2-100). The volumetric flow rates of anolyte and catholyte can be adjusted by increasing the hydraulic resistance at the input lines to the reactor, less often at the weekend. Water of different or the same mineralization can be supplied to the anode and cathode chambers. The ratio of the mineralization of the water flows entering the anode and cathode chambers can be 1-100 or more. As a rule, a higher volumetric flow rate should correspond to a stream of water with greater salinity and vice versa, a lower volumetric flow rate should correspond to a stream with higher salinity. Roughly this ratio is expressed by the equation
Q 1 ˙ C 1 Q 2 ˙ C 2 , where Q 1 is the volumetric flow rate of water through one of the electrode chambers of the reactor, conventionally called the first, l / h;
With 1 mineralization of the water entering the first chamber, g / l (mol / l);
Q 2 is the volumetric flow rate of water through the other electrode chamber of the reactor, conventionally called the second, l / h;
With 2 mineralization of the water entering the second chamber, g / l (mol / l).
Если во время электролитической обработки воды в реакторе необходимо предотвратить электромиграционное поступление в нее ионов через диафрагму из камеры электрода противоположной полярности, следует повысить давление воды в камере, которая условно именуется "рабочей" или "основной". Повышения давления добиваются увеличением гидравлического сопротивления на выходе рабочей камеры или увеличением объемного расхода воды. Если, наоборот, необходимо увеличить электромиграционный перенос ионов через диафрагму в рабочую камеру, следует увеличить давление в камере электрода противоположной полярности, называемой вспомогательной, или уменьшить в рабочей. При помощи описанной схемы возможно получение раствора типа А и К. If during the electrolytic treatment of water in the reactor it is necessary to prevent the electromigration of ions into it through the diaphragm from the chamber of an electrode of opposite polarity, it is necessary to increase the water pressure in the chamber, which is conventionally referred to as “working” or “main”. Pressure increases are achieved by increasing the hydraulic resistance at the outlet of the working chamber or by increasing the volumetric flow rate of water. If, on the contrary, it is necessary to increase the electromigration transfer of ions through the diaphragm into the working chamber, it is necessary to increase the pressure in the chamber of the electrode of opposite polarity, called auxiliary, or reduce it in the working chamber. Using the described scheme, it is possible to obtain a solution of type A and K.
На фиг.3,б представлена схема получение анолита рН 5-7. Катодная электродная камера, в которой находится сильнощелочной раствор вспомогательного электролита (рН 12), замкнута на емкость вспомогательного электролита с установленным на ней газоотделителем. Таким образом, вспомогательный электролит находится в циркуляционном контуре, из которого постоянно удаляются электролизные газы без потери самого раствора. Движение раствора вспомогательного электролита в контуре происходит под действием подъемной силы пузырьков газа, образующихся на вспомогательном электроде. Подпитка контура осуществляется за счет фильтрационного потока воды через диафрагму из основной электродной камеры во вспомогательную под действием перепада давления. Figure 3, b presents a diagram of the preparation of anolyte pH 5-7. The cathode electrode chamber, in which there is a strongly alkaline auxiliary electrolyte solution (pH 12), is closed to the auxiliary electrolyte capacity with a gas separator installed on it. Thus, the auxiliary electrolyte is located in the circulation circuit, from which electrolysis gases are constantly removed without loss of the solution itself. The movement of the auxiliary electrolyte solution in the circuit occurs under the action of the lifting force of the gas bubbles formed on the auxiliary electrode. The circuit is fed by the filtration flow of water through the diaphragm from the main electrode chamber to the auxiliary chamber under the influence of a differential pressure.
При работе реактора в подобных схемах давление в камере основного электрода необходимо поддерживать в пределах 10-150 кПа (0,1-1,5 кгс/см), что обеспечивает необходимый перепад давления на диафрагме и поддерживает фильтрационную подпитку контура вспомогательного электролита. When the reactor operates in such schemes, the pressure in the chamber of the main electrode must be maintained within 10-150 kPa (0.1-1.5 kgf / cm), which ensures the necessary pressure drop across the diaphragm and supports filtering of the auxiliary electrolyte circuit.
Щелочь в растворе вспомогательного электролита синтезируется в процессе работы реактора. Ее концентрация достигает стационарного состояния равновесия и не изменяется в течение длительного времени. Основными переносчиками заряда во вспомогательной камере являются гидроксид-ионы. Взаимодействуя с ионами гидроксония, образующимися в анодной камере реактора, они обуславливают нейтральную реакцию анолита. Alkali in the auxiliary electrolyte solution is synthesized during the operation of the reactor. Its concentration reaches a stationary state of equilibrium and does not change for a long time. The main charge carriers in the auxiliary chamber are hydroxide ions. Interacting with the hydroxonium ions formed in the anode chamber of the reactor, they determine the neutral reaction of the anolyte.
С помощью этой схемы можно получать растворы типа АН. Using this scheme, solutions of the AN type can be obtained.
На фиг. 3в представлена схема получения католита рН 7-9. Рабочая камера катодная. Эта схема аналогична схеме, приведенной на фиг.3д с тем отличием, что раствор вспомогательного электролита, синтезируемый при работе реактора, является сильнокислотным (рН 1,5), и образующиеся во вспомогательной камере ионы гидроксония нейтрализуют образующиеся в катодной камере гидроксид-ионы, обеспечивая величину рН католита в пределах, разрешенных для питьевой воды. In FIG. 3c shows a scheme for the preparation of catholyte pH 7-9. The working chamber is cathodic. This scheme is similar to the scheme shown in Fig. 3d with the difference that the auxiliary electrolyte solution synthesized during reactor operation is strongly acidic (pH 1.5), and the hydroxonium ions formed in the auxiliary chamber neutralize the hydroxide ions formed in the cathode chamber, providing the pH of catholyte is within the limits allowed for drinking water.
С помощью этой схемы можно получать растворы типа КН. Using this scheme, solutions of the KN type can be obtained.
На фиг.3г представлена схема получения кислотного анолита. Она отличается от схемы, приведенной на фиг.3а тем, что позволяет до минимальной величины уменьшить количество сбрасываемого из камеры вспомогательного электролита (катодной) отработанного раствора вспомогательного электролита. Это достигается благодаря наличию замкнутого контура циркуляции через катодную камеру вспомогательного электролита, который извне подпитывается раствором вспомогательного электролита. On Figg presents a diagram of the production of acid anolyte. It differs from the circuit shown in figa in that it allows to minimize the amount of auxiliary electrolyte (cathode) spent from the chamber of the auxiliary electrolyte discharged from the chamber. This is achieved due to the presence of a closed circulation loop through the cathode chamber of the auxiliary electrolyte, which is externally fed by the auxiliary electrolyte solution.
Отличие схемы на фиг. 3г от схемы на фиг.3б состоит в том, что через циркуляционный контур вспомогательного электролита, в котором скорость перемещения раствора определяется интенсивностью газовыделения на электроде, постоянно с очень малой скоростью протекания растворов вспомогательного электролита вводится свежий и удаляется отработанный растворы. Раствор вспомогательного электролита может подаваться с помощью дозатора непосредственно перед вводом в циркуляционный контур. В качестве электролита для приготовления вспомогательного раствора используется преимущественно хлорид натрия. Отбор отработанного вспомогательного электролита из циркуляционного контура производится примерно с тем же объемным расходом, что и подпитка. The difference of the circuit in FIG. 3g from the circuit in FIG. 3b consists in the fact that through the circulation circuit of the auxiliary electrolyte, in which the rate of movement of the solution is determined by the intensity of gas evolution at the electrode, fresh solutions are constantly introduced with a very low rate of flow of the auxiliary electrolyte solutions and the spent solutions are removed. The auxiliary electrolyte solution can be supplied using a dispenser immediately before entering the circulation circuit. Sodium chloride is used predominantly as the electrolyte for the preparation of the auxiliary solution. The selection of spent auxiliary electrolyte from the circulation circuit is carried out at approximately the same volumetric flow rate as the make-up.
Обычно объемный расход удаляемого отработанного вспомогательного электролита меньше объемного расхода, производимого в реакторе, анолита в 100-1000 раз. Сброс отработанного раствора вспомогательного электролита осуществляют по отдельной линии или вместе с газом. В последнем случае газоотделитель не используется и заменяется штуцером с относительно малым проходным сечением. Регулирование электромиграционных потоков через диафрагму производится так же, как и в схеме на фиг.3а изменением давление в рабочей камере. По этой схеме можно получать растворы типа А, а также промежуточные между А и АН, что достигается регулированием объемного расхода сбрасываемого отработанного электролита. Typically, the volumetric flow rate of the removed spent auxiliary electrolyte is less than the volumetric flow rate produced in the reactor, anolyte 100-1000 times. The discharge of the spent auxiliary electrolyte solution is carried out in a separate line or together with the gas. In the latter case, the gas separator is not used and is replaced by a fitting with a relatively small flow area. The regulation of electromigration flows through the diaphragm is carried out in the same way as in the diagram in Fig. 3a by changing the pressure in the working chamber. According to this scheme, it is possible to obtain solutions of type A, as well as intermediate between A and AN, which is achieved by controlling the volumetric flow rate of the discharged spent electrolyte.
Схема на фиг.3д получение щелочного католита. Эта схема аналогична схеме, приведенной на фиг.3г, с тем отличием, что камерой вспомогательного электролита, замкнутой на циркуляционный контур, является анодная камера реактора, а рабочей камерой катодная. The scheme in Fig. 3d receiving alkaline catholyte. This circuit is similar to the circuit shown in Fig. 3d, with the difference that the auxiliary electrolyte chamber closed to the circulation circuit is the anode chamber of the reactor, and the working chamber is cathode.
По этой схеме можно получать растворы типа К, а также промежуточные между К и КН, что достигается, как и в предыдущем случае, регулированием объемного расхода сбрасываемого отработанного вспомогательного электролита. According to this scheme, it is possible to obtain solutions of type K, as well as intermediate between K and KH, which is achieved, as in the previous case, by controlling the volumetric flow rate of the discharged spent auxiliary electrolyte.
Электрические соединения ячеек между собой осуществляются в соответствии с типовыми схемами, приведенными на фиг.4. The electrical connections of the cells to each other are carried out in accordance with the typical schemes shown in figure 4.
Рекомендованные схемы электрических соединений ячеек в устройстве в зависимости от выходных параметров источников тока приведены в табл.2. The recommended electrical circuitry of the cells in the device, depending on the output parameters of the current sources, is given in Table 2.
Последовательное электрическое соединение ячеек является более предпочтительным, поскольку через все ячейки протекает ток одинаковой силы вне зависимости от различия их сопротивления, а также потому, что значительной электрохимической мощности можно достичь, не подводя к реактору провода большого сечения. Serial electrical connection of the cells is more preferable, since a current of equal strength flows through all the cells, regardless of the difference in their resistance, and also because significant electrochemical power can be achieved without leading large cross-section wires to the reactor.
На основе предложенного устройства для электрохимической обработки воды созданы различные установки. Based on the proposed device for electrochemical water treatment, various plants have been created.
Установка СТЭЛ-4Н предназначена для получения моющего или дезинфицирующего (стерилизующего) растворов с водородным показателем, близким к нейтральному значению из пресной (с минерализацией 0,8-1,0 г/л и содержанием хлорид-ионов не менее 300 мг/л) или слабосолоноватой (1,0-3,0 г/л) воды. The STEL-4N installation is designed to produce detergent or disinfectant (sterilizing) solutions with a hydrogen index close to the neutral value from fresh (with a mineralization of 0.8-1.0 g / l and a chloride ion content of at least 300 mg / l) or slightly brackish (1.0-3.0 g / l) water.
В результате электрохимических реакций в катодной камере католит насыщается высокоактивными веществами, придающими ей восстановительные свойства и высокую адсорбционную активность (ОН-, Н3О2 -, Н2, НО2, НО2 -, О2 -), т.е. превращается в эффективный моющий раствор. Водородный показатель католита не выходит за пределы, предусмотренные ГОСТ-2874-84 "Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством". При получении дезинфицирующего (стерилизующего) раствора основной поток воды направляется в анодную камеру, а небольшая часть в катодную, откуда поступает на сброс. Вода в анодной камере (анолит) обогащается высокоактивными веществами, придающими ей окислительные свойства (Cl2O, ClO2, HClO, Cl-, O-, O2, O3, HO2, OH-), т.е. превращается в биоцидный раствор. Водородный показатель анолита также на выходит за пределы, разрешенные ГОСТ-2874-82 для питьевой воды.As a result of electrochemical reactions in the cathode chamber, the catholyte is saturated with highly active substances, giving it reducing properties and high adsorption activity (OH - , H 3 O 2 - , H 2 , HO 2 , HO 2 - , O 2 - ), i.e. turns into an effective washing solution. The catholyte hydrogen indicator does not go beyond the limits stipulated by GOST-2874-84 "Drinking water. Hygienic requirements and quality control." Upon receipt of a disinfecting (sterilizing) solution, the main water stream is directed to the anode chamber, and a small part to the cathode, from where it is discharged. Water in the anode chamber (anolyte) is enriched with highly active substances that give it oxidizing properties (Cl 2 O, ClO 2 , HClO, Cl - , O - , O 2 , O 3 , HO 2 , OH - ), i.e. turns into a biocidal solution. The anolyte hydrogen index also does not go beyond the limits permitted by GOST-2874-82 for drinking water.
Отличие между дезинфицирующим и стерилизующим растворами состоит в методе использования одного и того же анолита: времени экспозиции, способе обработки объектов (полное погружение или протирание поверхностей) и т.д. Растворы обладают наивысшей активностью в первые часы после получения и теряют ее на 20% через 20-25 ч в результате самопроизвольного распада неустойчивых соединений и частиц. Высокая функциональная способность растворов сочетается с их экологической чистотой и безопасностью. Моющий, дезинфицирующий и стерилизующий растворы, полученные в установке СТЭЛ-4Н, могут использоваться для предстерилизационной очистки, дезинфекции и стерилизации изделий медицинской техники в соответствии с методическими рекомендациями. The difference between disinfecting and sterilizing solutions is the method of using the same anolyte: exposure time, method of processing objects (complete immersion or rubbing of surfaces), etc. Solutions have the highest activity in the first hours after receipt and lose it by 20% after 20-25 hours as a result of spontaneous decomposition of unstable compounds and particles. High functional ability of solutions is combined with their environmental cleanliness and safety. The washing, disinfecting and sterilizing solutions obtained in the STEL-4N installation can be used for pre-sterilization cleaning, disinfection and sterilization of medical devices in accordance with the methodological recommendations.
Установка СТЭЛ-4Н может использоваться также для полного обеззараживания воды. При этом исходная вода пропускается через анодную камеру с объемным расходом не менее 100 л/ч при токе 3-5 А. В результате такой обработки вода с высокой степенью бактериального загрязнения становится стерильно чистой и сохраняется в таком состоянии длительное время. The STEL-4N installation can also be used for complete disinfection of water. In this case, the source water is passed through the anode chamber with a volume flow of at least 100 l / h at a current of 3-5 A. As a result of this treatment, water with a high degree of bacterial contamination becomes sterile clean and remains in this state for a long time.
Установка СТЭЛ-10 АК предназначена для получения слабощелочного моющего и слабокислотного дезинфицирующего (стерилизующего) раствора из пресной (с общей минерализацией 0,8-1 г/л) и содержанием хлорид-ионов не менее 300 мг/л) или слабосолоноватой (до 3 г/л) воды, в лечебно-профилактических, санитарно-эпидемиологических учреждениях и предприятиях коммунально-бытового обслуживания. В результате электрохимических реакций вода в катодной камере (католит) насыщается высокоактивными веществами, придающими ей щелочные свойства и восстановительную активность (NaOH, OH-, H3O2 -, Н2, HO2 -, O2 -), т. е. превращается в эффективный моющий раствор. Вода в анодной камере (анолит) обогащается высокоактивными веществами, придающими ей кислотные свойства и окислительную возможность (Cl2O, ClO2, HClO, Cl2, Cl, ClO2 -, O2, O3, HO2, OH-), т.е. превращается в дезинфицирующий (стерилизующий) раствор. Отличие между дезинфицирующим и стерилизующим растворами состоит в методике использования одного и того же анолита, т.е. времени экспозиции, способа обработки объектов (полное погружение или протирание поверхности) и т.д. Растворы обладают наивысшей активностью в первые часы после получения и теряют ее на 20% через 20-25 ч в результате самопроизвольного распада неустойчивых соединений и частиц.The STEL-10 AK installation is designed to produce a slightly alkaline washing and weakly acid disinfecting (sterilizing) solution from fresh (with a total mineralization of 0.8-1 g / l) and a chloride ion content of at least 300 mg / l) or slightly saline (up to 3 g / l) water, in medical and preventive, sanitary and epidemiological institutions and public utilities. As a result of electrochemical reactions, water in the cathode chamber (catholyte) is saturated with highly active substances that give it alkaline properties and reducing activity (NaOH, OH - , H 3 O 2 - , Н 2 , HO 2 - , O 2 - ), i.e. turns into an effective washing solution. Water in the anode chamber (anolyte) is enriched with highly active substances that give it acidic properties and oxidative ability (Cl 2 O, ClO 2 , HClO, Cl 2 , Cl, ClO 2 - , O 2 , O 3 , HO 2 , OH - ), those. turns into a disinfecting (sterilizing) solution. The difference between disinfecting and sterilizing solutions is the method of using the same anolyte, i.e. exposure time, method of processing objects (complete immersion or rubbing of the surface), etc. Solutions have the highest activity in the first hours after receipt and lose it by 20% after 20-25 hours as a result of spontaneous decomposition of unstable compounds and particles.
Высокая функциональная активность растворов сочетается с их экологической чистотой и безопасностью. Моющие, дезинфицирующие и стерилизующие растворы, полученные на установке СТЭЛ-10АК, могут использоваться для предстерилизационной очистки, дезинфекции и стерилизации изделий медицинской техники и фармацевтической посуды в соответствии с методическими рекомендациями. The high functional activity of the solutions is combined with their environmental cleanliness and safety. The washing, disinfecting and sterilizing solutions obtained with the STEL-10AK installation can be used for pre-sterilization cleaning, disinfection and sterilization of medical devices and pharmaceutical glassware in accordance with the methodological recommendations.
В табл. 3 представлены технические характеристики устройств с различным числом электролитических ячеек. In the table. 3 presents the technical characteristics of devices with a different number of electrolytic cells.
Предложенное решение по сравнению с прототипом при достижении одинакового результата, более просто в изготовлении, так как отсутствуют детали, трудоемкие в изготовлении и сборке (диэлектрические втулки по прототипу имеют большее число каналов и меньше степеней свободы при установке). Устройство имеет более простую и эффективную систему гидравлической обвязки, которая не включает в себя использование многовходовых кранов. Так же необходимо отметить, что функциональные возможности предложенного устройства шире, за счет конструктивных особенностей, т.е. использования унифицированных блоков, что позволяет собирать установки различной производительности в зависимости от условий решаемых задач. The proposed solution, compared with the prototype when achieving the same result, is easier to manufacture, since there are no parts that are laborious to manufacture and assemble (the dielectric bushings of the prototype have a larger number of channels and fewer degrees of freedom during installation). The device has a simpler and more efficient hydraulic strapping system, which does not include the use of multi-input cranes. It should also be noted that the functionality of the proposed device is wider due to design features, i.e. use of unified blocks, which allows you to collect installations of various capacities depending on the conditions of the tasks being solved.
По сравнению с прототипом предложенное устройство в 5-6 раз меньше потребляет энергии, имеет меньшие габаритные размеры и в 10 раз меньшую массу. Compared with the prototype, the proposed device is 5-6 times less energy consuming, has smaller overall dimensions and 10 times less weight.
Claims (7)
где K межэлектродное расстояние, мм;
L длина рабочей части электродной камеры, мм;
Ds внутренний диаметр цилиндрического электрода, мм;
Db диаметр средней части стержневого электрода, мм;
Ss, Sb площади поперечного сечения камер соответственно цилиндрического и стержневого электродов, м2,
в верхней и нижней частях цилиндрического электрода выполнены отверстия для отвода и подачи обрабатываемой воды в камеру цилиндрического электрода, стержневой электрод выполнен переменного сечения и диаметр его концевых частей составляет 0,75 диаметра его средней части, причем стержневой электрод установлен так, что его средняя часть расположена на уровне, ограниченном отверстиями в верхней и нижней частях цилиндрического электрода.1. DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL WATER TREATMENT, 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, moreover, in the lower and upper bushings channels for supplying and discharging the treated water into the chamber of the rod electrode, a current source connected to the electrodes through the node mutations, as well as devices for supplying and discharging the treated water to the electrode chambers, characterized in that the device contains at least one cell, channels in the bushings are brought out to the side surfaces of the bushings, the diaphragm is made of ultrafiltration zirconia-based ceramic with the addition of aluminum oxides and and yttrium and established so that the geometric dimensions of the cell satisfy the relations
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 , S b the cross-sectional area of the chambers of the cylindrical and rod electrodes, respectively, m 2 ,
openings are made in the upper and lower parts of the cylindrical electrode for removal and supply of the treated water to the chamber of the cylindrical electrode, 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 bounded by holes in the upper and lower parts of the cylindrical electrode.
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5035767/26A RU2042639C1 (en) | 1992-04-03 | 1992-04-03 | Device for electrochemical treatment of water |
| GB9324796A GB2274113B (en) | 1992-04-03 | 1993-03-26 | Apparatus for electrochemical treatment of water |
| US08/157,039 US5427667A (en) | 1992-04-03 | 1993-03-26 | Apparatus for electrochemical treatment of water |
| DE4391418T DE4391418T1 (en) | 1992-04-03 | 1993-03-26 | Device for the electrochemical treatment of water |
| JP5517344A JPH07509536A (en) | 1992-04-03 | 1993-03-26 | water electrochemical treatment equipment |
| PCT/RU1993/000075 WO1993020014A1 (en) | 1992-04-03 | 1993-03-26 | Device for electrochemical processing of water |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5035767/26A RU2042639C1 (en) | 1992-04-03 | 1992-04-03 | Device for electrochemical treatment of water |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2042639C1 true RU2042639C1 (en) | 1995-08-27 |
Family
ID=21601063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5035767/26A RU2042639C1 (en) | 1992-04-03 | 1992-04-03 | Device for electrochemical treatment of water |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2042639C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516226C2 (en) * | 2012-02-21 | 2014-05-20 | Витольд Михайлович Бахир | Electrochemical module cell for processing electrolyte solutions |
| RU2737801C1 (en) * | 2020-04-07 | 2020-12-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Забайкальский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ЗабГУ") | Device for disinfecting and purifying water |
-
1992
- 1992-04-03 RU SU5035767/26A patent/RU2042639C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Электрохимактиватор медицинский. Информационный листок N 03049 от 27.02.87. * |
| 2. Заявка Японии N 1-104387, кл. C 02F 1/46, 1989. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516226C2 (en) * | 2012-02-21 | 2014-05-20 | Витольд Михайлович Бахир | Electrochemical module cell for processing electrolyte solutions |
| RU2737801C1 (en) * | 2020-04-07 | 2020-12-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Забайкальский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ЗабГУ") | Device for disinfecting and purifying water |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5427667A (en) | Apparatus for electrochemical treatment of water | |
| US7691249B2 (en) | Method and apparatus for making electrolyzed water | |
| JP3567138B2 (en) | Apparatus and method for producing water for deodorization and cleaning applications | |
| RU2176989C1 (en) | Electrochemical module cell for treatment of aqueous solutions, plant for production of products of anodic oxidation of solution of alkaline or alkaline-earth metal chlorides | |
| RU2297981C1 (en) | Device for the electrochemical treatment of the water and the water solutions | |
| KR20120019317A (en) | Non_diaphragm apparatus for electrolysis having separator and electrolyzed-water system having the same | |
| KR100533710B1 (en) | making apparatus of electrolysis water | |
| RU2042639C1 (en) | Device for electrochemical treatment of water | |
| RU2038322C1 (en) | Equipment for electrotechnical treatment of water | |
| RU2038323C1 (en) | Equipment for purification and disinfection of water | |
| RU2063932C1 (en) | Apparatus for electrochemical treatment of liquid | |
| RU2040477C1 (en) | Device for disinfection and purification of water | |
| RU2088539C1 (en) | Apparatus for producing detergent and disinfecting solutions | |
| RU69075U1 (en) | DEVICE FOR CLEANING AND DISINFECTING WATER | |
| JPH09192667A (en) | Electrolyzed water generating device | |
| RU2078737C1 (en) | Apparatus for electrochemical treatment of water | |
| RU2056364C1 (en) | Installation for electrochemical treatment of water | |
| JPH01317591A (en) | Production of treated water and device therefor | |
| RU3600U1 (en) | DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL WATER TREATMENT | |
| KR102572086B1 (en) | Circulating system using reverse electrodialysis(red) salinity power generation module | |
| JP4512842B2 (en) | Electrolyzed water generating method and electrolyzed water generating apparatus | |
| KR100439997B1 (en) | Apparatus creating electrolysed-water by multi-step and non-diaphram | |
| RU2034791C1 (en) | Installation for production of disinfecting and detergent solution | |
| KR200338144Y1 (en) | making apparatus of electrolysis water | |
| RU3599U1 (en) | DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL WATER TREATMENT |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060404 |