RU2058267C1

RU2058267C1 - Method and apparatus for drinking water treatment

Info

Publication number: RU2058267C1
Application number: RU94037539A
Authority: RU
Inventors: В.В. Банников; Ф.И. Львович; Ю.И. Якушев; Д.Ю. Пичуев; В.Я. Микиртычев
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью Внедренческое предприятие "Катион"
Priority date: 1994-10-27
Filing date: 1994-10-27
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: drinking water production. SUBSTANCE: method provides for introduction in water chlorine-bearing reactant. As chlorine-bearing reactant they use chlorine ( that is produced by electrolysis of alkaline metal chloride in anode chamber of electrolyzer with diaphragm of inert material. Gas-shaped electrolytic chlorine from anode chamber is ejected by treated water and produced chlorinated water is additionally introduced with alkaline metal hydroxide solution (electrolytic alkali solution), that is being produced in cathode chamber of the electrolyzer with diaphragm. Treated water is fed with stream consumption of 10 - 1000 l/h per one ampere of current loading of electrolyzer. Electrolysis is carried out under anode current density of 0,5-4,5 kA/m². EFFECT: increased productivity of drinking water treatment. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к обработке воды с целью получения чистой питьевой воды электрохимическими методами и может быть использовано как для обработки и обеззараживания воды, так и для очистки сточных вод перед их сбросом в водоемы. The invention relates to water treatment in order to obtain clean drinking water by electrochemical methods and can be used both for the treatment and disinfection of water, and for the treatment of wastewater before it is discharged into water bodies.

Известен способ консервирования питьевой воды путем ее электролиза. Перед электролизом в воду вводят бикарбонат натрия (двууглекислую соду) до достижения рН 8,3, и процесс ведут в герметичной анодной камере двухкамерного мембранного электролизера с нерастворимыми электродами и катионообменной мембраной до достижения в обрабатываемой воде показателя рН 2 не менее 30 [1]
Недостатки известного способа наличие емкостей для приготовления и хранения бикарбоната натрия, введение в обрабатываемую воду дополнительного реагента соды, даже при очень большой степени ее очистки, все равно приводит к загрязнению воды дополнительными примесями.A known method of preserving drinking water by electrolysis. Before electrolysis, sodium bicarbonate (bicarbonate soda) is introduced into water until a pH of 8.3 is reached, and the process is conducted in a sealed anode chamber of a two-chamber membrane electrolyzer with insoluble electrodes and a cation exchange membrane until a pH of at least 30 is reached in the treated water [1]
The disadvantages of the known method, the presence of containers for the preparation and storage of sodium bicarbonate, the introduction of additional soda reagent into the treated water, even with a very high degree of purification, still leads to contamination of water with additional impurities.

Наиболее близким к заявленному способу является способ обработки воды, включающий добавление хлорсодержащего реагента с последующей обработкой в электролизере. В качестве реагента используют хлорамин Б. Обработку ведут при анодной плотности тока 1,25-1,5 кА/м² и линейной скорости протока обеззараживаемой воды 0,5-1,0 см/с, что соответствует расходу потока обрабатываемой воды в электролизере прямоугольного сечения примерно 14,4-28,8 л/(А*ч).Closest to the claimed method is a method of treating water, comprising adding a chlorine-containing reagent, followed by treatment in an electrolyzer. Chloramine B is used as a reagent. Processing is carried out at an anode current density of 1.25-1.5 kA / m ² and a linear flow rate of disinfected water of 0.5-1.0 cm / s, which corresponds to the flow rate of the treated water in a rectangular electrolyzer cross sections of approximately 14.4-28.8 l / (A * h).

Наиболее близким устройством для обработки воды является устройство, включающее корпус, в котором размещены растворимые электроды из нержавеющей стали, патрубки для ввода и вывода воды [2]
Недостаток известного способа наличие реагента, который необходимо вводить в обрабатываемую воду перед электролизом. Дорогостоящий хлорсодержащий реагент имеет ограниченное время хранения из-за самопроизвольного разложения с потерей активного хлора, что затрудняет использование этого способа в отдаленных районах и регионах с жарким климатом. Необходимость проведения процесса с растворимыми электродами приводит к дополнительному загрязнению воды ионами металлов. Низкая линейная скорость обрабатываемой воды, связанная с механизмом обеззараживания в известном способе делает этот способ и устройство для его реализации малопроизводительными, что особенно важно при обработке больших объемов воды.The closest device for water treatment is a device comprising a housing in which soluble stainless steel electrodes, nozzles for water inlet and outlet are placed [2]
The disadvantage of this method is the presence of a reagent that must be introduced into the treated water before electrolysis. The expensive chlorine-containing reagent has a limited storage time due to spontaneous decomposition with the loss of active chlorine, which makes it difficult to use this method in remote areas and regions with a hot climate. The need for a process with soluble electrodes leads to additional water pollution with metal ions. The low linear speed of the treated water associated with the disinfection mechanism in the known method makes this method and device for its implementation inefficient, which is especially important when processing large volumes of water.

Для устранения указанных недостатков предложен способ обработки питьевой воды, включающий добавление в воду хлорсодержащего реагента. В качестве хлорсодержащего реагента используют хлор, полученный электролизом раствора хлорида щелочного металла в анодной камере электролизера с диафрагмой из инертного материала. Газообразный электролитический хлор из анодной камеры эжектируют обрабатываемой водой, и в полученную хлорированную воду дополнительно вводят раствор гидроксида щелочного металла (раствор электролитической щелочи), нарабатываемый в катодной камере этого же электролизера с диафрагмой, при этом обрабатываемую воду подают с расходом потока 10-1000 л/ч на каждый ампер токовой нагрузки на электролизере, а электролиз ведут при анодной плотности тока 0,5-4,5 кА/м².To eliminate these drawbacks, a method for the treatment of drinking water is proposed, which includes adding a chlorine-containing reagent to the water. As a chlorine-containing reagent, chlorine is used, obtained by electrolysis of a solution of alkali metal chloride in the anode chamber of an electrolyzer with a diaphragm made of an inert material. Gaseous electrolytic chlorine from the anode chamber is ejected with the treated water, and an alkali metal hydroxide solution (electrolytic alkali solution) generated in the cathode chamber of the same electrolytic cell with a diaphragm is additionally introduced into the resulting chlorinated water, while the treated water is supplied at a flow rate of 10-1000 l / h for each ampere of the current load on the electrolyzer, and electrolysis is carried out at an anode current density of 0.5-4.5 kA / m ² .

Предложено устройство для обработки питьевой воды, в котором может быть осуществлен указанный способ. A device for the treatment of drinking water, in which the specified method can be implemented.

На чертеже схематично представлено предложенное устройство, вид сверху. The drawing schematically shows the proposed device, a top view.

Устройство содержит герметичный корпус 1, в котором размещены нерастворимые электроды: анод 2 и катод 3, разделенные фильтрующей диафрагмой 4 из инертного материала с образованием анодной 5 и катодной 6 камер. Устройство дополнительно снабжено тремя камерами, две из которых 7 и 8 имеют общую перегородку с анодной камерой, а третья 9 с катодной камерой. Дополнительная камера 7 со стороны анода снабжена патрубком 10 для подачи обрабатываемой воды, соединенным с эжектором 11 для вакуумирования хлора из анодной камеры, патрубком 12 для вывода хлорированной воды и имеет канал 13 ниже уровня жидкости для сообщения с дополнительной камерой 8 со стороны анода. Камера 8 заполнена твердым хлоридом щелочного металла и имеет канал 14 в перегородке с анодной камерой для подачи насыщенного раствора хлорида натрия в анодную камеру. Дополнительная камера 9 со стороны катода снабжена патрубком 15 для подачи хлорированной воды и патрубком 16 для вывода обработанной воды и имеет в перегородке с катодной камерой канал 17 для ввода раствора гидроксида щелочного металла. The device comprises a sealed housing 1, in which insoluble electrodes are placed: anode 2 and cathode 3, separated by a filtering diaphragm 4 of inert material with the formation of anode 5 and cathode 6 chambers. The device is additionally equipped with three chambers, two of which 7 and 8 have a common partition with the anode chamber, and the third 9 with the cathode chamber. The additional chamber 7 on the anode side is equipped with a pipe 10 for supplying treated water, connected to an ejector 11 for evacuating chlorine from the anode chamber, a pipe 12 for outputting chlorinated water and has a channel 13 below the liquid level for communication with the additional camera 8 from the anode side. The chamber 8 is filled with solid alkali metal chloride and has a channel 14 in the partition with the anode chamber for supplying a saturated solution of sodium chloride to the anode chamber. The additional chamber 9 on the cathode side is equipped with a nozzle 15 for supplying chlorinated water and a nozzle 16 for discharging the treated water and has a channel 17 for introducing an alkali metal hydroxide solution in the partition with the cathode chamber.

Предложенное устройство работает следующим образом. В дополнительную камеру 7 загружают твердый хлорид щелочного металла, например хлорид натрия. По патрубку 10 начинают подачу обрабатываемой воды и по мере заполнения устройства водой на электроды 2 и 3 подают электрический ток. Часть потока обрабатываемой воды поступает по каналу 13 в камеру 7, в которой происходит растворение соли. Насыщенный рассол по каналу 14 из камеры 7 поступает в анодную камеру 5, в которой на аноде 2 генерируется электролитический газообразный хлор. Хлор с помощью потока обрабатываемой воды через эжектор 11 поступает в камеру 8, в которой происходит смешивание газообразного хлора и воды. Хлорированная вода из камеры 8 через патрубок 10 и трубопровод поступает в камеру 9 (через патрубок 15). Электролит из анодной камеры 5 фильтруется через диафрагму 4 в катодную камеру 6, в которой осуществляется наработка электролитической щелочи. Электролитическая щелочь перетекает по каналу 17 в камеру 9, в которой происходит смешение хлорированной воды и электролитической щелочи. Из камеры 9 через патрубок 16 выводят обработанную питьевую воду. В процессе работы в камеру 7 периодически (1 раз в 4-10 ч) добавляют твердый хлорид щелочного металла. The proposed device operates as follows. Solid alkali metal chloride, for example sodium chloride, is charged into an additional chamber 7. The pipe 10 begins to supply the treated water and, as the device fills with water, electrodes 2 and 3 are supplied with electric current. Part of the flow of treated water enters through channel 13 into chamber 7, in which salt dissolves. Saturated brine through channel 14 from chamber 7 enters the anode chamber 5, in which electrolytic chlorine gas is generated at the anode 2. Chlorine using a stream of treated water through the ejector 11 enters the chamber 8, in which the mixing of gaseous chlorine and water. Chlorinated water from the chamber 8 through the pipe 10 and the pipeline enters the chamber 9 (through the pipe 15). The electrolyte from the anode chamber 5 is filtered through the diaphragm 4 into the cathode chamber 6, in which the production of electrolytic alkali is carried out. Electrolytic alkali flows through the channel 17 into the chamber 9, in which the chlorinated water and electrolytic alkali are mixed. From the chamber 9 through the pipe 16 remove the treated drinking water. In the process, in the chamber 7 periodically (1 time in 4-10 hours) solid alkali metal chloride is added.

Обработка воды непосредственно электролитическим хлором позволяет обеспечить наиболее высокую степень обеззараживания воды. Последующее смешивание хлорированной воды с электролитической щелочью позволяет практически исключить проскоки газообразного хлора с обрабатываемой водой, а также перевести активный хлор, содержащийся в воде после выхода из камеры 8, в более устойчивую форму гипохлорит натрия, что обеспечивает высокий консервирующий эффект обработанной воды. Processing water directly with electrolytic chlorine allows for the highest degree of water disinfection. Subsequent mixing of chlorinated water with electrolytic alkali makes it possible to virtually eliminate the leakage of gaseous chlorine from the treated water, and also convert the active chlorine contained in the water after leaving chamber 8 into a more stable form of sodium hypochlorite, which ensures a high preservative effect of the treated water.

П р и м е р 1. Воду инфицируют тест-микроорганизмами с использованием односуточной культуры E.Coli (кишечная палочка) в концентрации (1,6±0,2) 10⁵ УЕ/л. Испытания проводят при летних значениях температуры воды (12-13^оС). Инфицированную воду с рН 7,8 обрабатывают в электролизере при расходе потока воды 800 л/ч на один ампер токовой нагрузки и при плотности тока 1,5 кА/м². В качестве анода используют титан, активированный металлоксидным покрытием (ОРТА); в качестве инертного материала для изготовления диафрагмы используют гидрофилизированные волокна фторополимера. После обработки в электролизере вода имеет следующие характеристики: рН 7,5; остаточное содержание активного хлора 9,2 мг/л; число модельных микроорганизмов, УЕ/л 0. Напряжение на электролизере составляет 3,6 В.PRI me R 1. Water is infected with test microorganisms using a one-day culture of E. Coli (E. coli) at a concentration of (1.6 ± 0.2) 10 ⁵ U / l. Tests carried out at the summer water temperature values (12-13 ° ^C). Infected water with a pH of 7.8 is treated in an electrolyzer at a flow rate of 800 l / h of water per ampere of current load and at a current density of 1.5 kA / m ² . As the anode, titanium activated by a metal oxide coating (ORTA) is used; as an inert material for the manufacture of a diaphragm, hydrophilized fluoropolymer fibers are used. After treatment in an electrolyzer, water has the following characteristics: pH 7.5; the residual content of active chlorine of 9.2 mg / l; the number of model microorganisms, UE / l 0. The voltage on the electrolyzer is 3.6 V.

П р и м е р 2. Воду инфицируют тест-микроорганизмами, образующими споры, с использованием спор B.Cereus в концентрации (1,0±0,1) х 10⁵УЕ/л. Испытания проводят при летних значениях температуры воды (12-13^оС). Инфицированную воду с рН 9,0 обрабатывают в электролизере при расходе потока воды 10 л/ч на один ампер токовой нагрузки и при плотности тока 2,0 кА/м². Материалы электродов и диафрагмы аналогичны примеру 1. После обработки в электролизере вода имеет следующие характеристики: рН 6,6; остаточное содержание "активного" хлора 98 мг/л; число модельных микроорганизмов, УЕ/л 0. Напряжение на электролизере составляет 3,9 В.PRI me R 2. Water is infected with test microorganisms forming spores, using B. Cereus spores in a concentration of (1.0 ± 0.1) x 10 ⁵ U / l. Tests carried out at the summer water temperature values (12-13 ° ^C). Infected water with a pH of 9.0 is treated in an electrolytic cell at a flow rate of 10 l / h for one ampere of current load and at a current density of 2.0 kA / m ² . The materials of the electrodes and the diaphragm are similar to example 1. After processing in the electrolyzer, the water has the following characteristics: pH 6.6; residual content of "active" chlorine 98 mg / l; the number of model microorganisms, UE / l 0. The voltage on the cell is 3.9 V.

Отбор проб исходной и обработанной воды, их микробиологический анализ, идентификацию микроорганизмов, учет и статистическую обработку результатов проводят в соответствии с ГОСТ 24849-81 "Вода питьевая. Полевые методы санитарно-микробиологического анализа". Sampling of the source and treated water, their microbiological analysis, identification of microorganisms, accounting and statistical processing of the results is carried out in accordance with GOST 24849-81 "Drinking water. Field methods of sanitary and microbiological analysis."

Увеличение скорости потока обрабатываемой воды свыше 1000 л/ч на каждый ампер токовой нагрузки на электролизере не позволяет эффективно вести процесс обеззараживания воды (в воде остаются единичные жизнеспособные бактерии) и не удается обеспечить требуемую остаточную концентрацию активного хлора. Снижение расхода ниже 10 л/ч неоправданно с точки зрения снижения производительности устройства, в котором реализуется предлагаемый способ. Снижение рабочей анодной плотности тока меньше 0,5 кА/м² не позволяет обеспечить требуемую степень обеззараживания, что может быть связано с ухудшением качества генерируемого на аноде электролитического хлора за счет увеличения в нем доли кислорода. Увеличение плотности тока больше 4,5 кА/м² неоправданно из-за увеличения затрат электроэнергии на процесс обработки воды.An increase in the flow rate of the treated water in excess of 1000 l / h for each ampere of the current load on the electrolyzer does not allow to effectively carry out the process of disinfecting water (there are few viable bacteria remaining in the water) and it is not possible to provide the required residual concentration of active chlorine. A decrease in flow rate below 10 l / h is unjustified from the point of view of reducing the productivity of the device in which the proposed method is implemented. A decrease in the working anode current density of less than 0.5 kA / m ² does not allow to provide the required degree of disinfection, which may be associated with a deterioration in the quality of electrolytic chlorine generated at the anode due to an increase in the oxygen fraction in it. An increase in current density of more than 4.5 kA / m ^{2 is} unjustified due to an increase in the cost of electricity for the water treatment process.

Предложенное изобретение по сравнению с известными позволяет исключить использование дорогостоящих хлорсодержащих реагентов, имеющих крайне ограниченный срок хранения, избежать допол- нительного загрязнения обрабатываемой воды продуктами разложения реагентов и разрушения электродов, повысить производительность устройства для обработки питьевой воды. The proposed invention, in comparison with the known ones, makes it possible to exclude the use of expensive chlorine-containing reagents having an extremely limited shelf life, to avoid additional contamination of the treated water with the products of the decomposition of the reagents and the destruction of the electrodes, and to increase the productivity of the device for treating drinking water.

Claims

1. A method of treating drinking water, comprising adding a chlorine-containing reagent to the water, characterized in that chlorine-based reagent is used chlorine obtained by electrolysis of an alkali metal chloride solution in the anode chamber of an electrolyzer with an inert material diaphragm, chlorine is ejected from the anode chamber with treated water, and then, an alkali metal hydroxide solution, obtained in the cathode chamber of the same electrolyzer with a diaphragm, is additionally introduced into water, while the treated water is supplied with a flow rate and 10 1000 l / h for every 1 A of the current load on the cell, and electrolysis is carried out at an anode current density of 0.5 to 4.5 kA / m ² .

2. A device for treating drinking water, comprising a housing with an anode and a cathode located in it, characterized in that an inert material diaphragm is placed between the anode and cathode to form the anode and cathode chambers, the device is additionally equipped with three chambers, two of which share a common partition with the anode chamber, and the third with the cathode chamber, one of the additional chambers on the anode side is equipped with a pipe for supplying the treated water, connected to an ejector for evacuating chlorine from the anode chamber, with a pipe for I withdraw chlorinated water and has a channel below the liquid level for communication with another additional chamber from the anode side, in which solid alkali metal chloride is placed, and in the partition separating it from the anode chamber, a channel is made for supplying a saturated solution of sodium chloride to the anode chamber, the additional chamber on the cathode side is equipped with nozzles for supplying chlorinated water and discharging the treated water and has a channel for introducing an alkali metal hydroxide solution in the partition with the cathode chamber.