RU2145940C1 - Flow-through electrochemical modular member for treatment of liquid - Google Patents
Flow-through electrochemical modular member for treatment of liquid Download PDFInfo
- Publication number
- RU2145940C1 RU2145940C1 RU98119639A RU98119639A RU2145940C1 RU 2145940 C1 RU2145940 C1 RU 2145940C1 RU 98119639 A RU98119639 A RU 98119639A RU 98119639 A RU98119639 A RU 98119639A RU 2145940 C1 RU2145940 C1 RU 2145940C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- anode
- diaphragm
- cathode
- modular element
- element according
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
- C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
- C02F2001/46142—Catalytic coating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46152—Electrodes characterised by the shape or form
- C02F2001/46157—Perforated or foraminous electrodes
- C02F2001/46161—Porous electrodes
Abstract
Description
Область применения
Изобретение относится к базовым элементам устройств для электрохимической обработки жидкости, в частности воды и/или водных растворов, и может быть использовано при создании установок, используемых как в процессах очистки и обеззараживания воды, так и в процессах, связанных с электрохимическим регулированием кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности воды и/или водных растворов, а также в процессах электрохимического получения различных продуктов.Application area
The invention relates to the basic elements of devices for the electrochemical treatment of liquids, in particular water and / or aqueous solutions, and can be used to create installations used both in the processes of water purification and disinfection, and in processes associated with the electrochemical regulation of acid-base, redox properties and catalytic activity of water and / or aqueous solutions, as well as in the processes of electrochemical production of various products.
Предшествующий уровень техники
В прикладной электрохимии используются различные конструкции электролизеров, являющихся основными элементами в установках, обеспечивающих обработку воды или водных растворов или получение различных продуктов, в частности известны электролизеры с плоскими электродами, прижатыми к диафрагме, или электролизеры с цилиндрическими электродами, установленными коаксиально, и керамической диафрагмой между ними.State of the art
In applied electrochemistry, various designs of electrolyzers are used, which are the main elements in plants that provide water or aqueous solutions or various products, in particular, electrolyzers with flat electrodes pressed against a diaphragm, or electrolyzers with cylindrical electrodes mounted coaxially and a ceramic diaphragm between them.
Недостатком известных решений является то, что они предназначены для использования при определенной производительности, и их объединение в серии требует значительных материальных затрат, а также выполнения большого объема проектных, конструкторских и технологических работ. A disadvantage of the known solutions is that they are intended for use at a certain performance, and combining them in a series requires significant material costs, as well as the implementation of a large amount of design, engineering and technological work.
Наиболее перспективными являются электролизеры, обеспечивающие достижение требуемой производительности путем соединения необходимого числа однотипных электрохимических ячеек - модулей, что позволяет сократить затраты на проектирование и производство электролизеров фиксированной производительности, унифицировать детали и узлы, сократить время монтажа и демонтажа таких электролизеров, а также облегчить их техническое обслуживание. The most promising are electrolyzers that achieve the required performance by connecting the required number of the same type of electrochemical cells - modules, which reduces the cost of designing and manufacturing electrolyzers of fixed capacity, unifies parts and assemblies, reduces the time of installation and dismantling of such electrolyzers, as well as facilitates their maintenance .
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является электрохимическая ячейка для обработки воды, представляющая собой компактный диафрагменный проточный электрохимический реактор - модульный элемент и содержащая коаксиально установленные цилиндрический и стержневой электроды, а также коаксиально установленную между ними диафрагму из керамики на основе оксидов циркония, алюминия и иттрия. Это техническое решение выбрано в качестве прототипа. The closest in technical essence and the achieved result is an electrochemical cell for water treatment, which is a compact diaphragm flow-through electrochemical reactor - a modular element and containing coaxially mounted cylindrical and rod electrodes, as well as a diaphragm coaxially mounted between them based on zirconia, aluminum and yttrium. This technical solution is selected as a prototype.
Известное решение описывает проточный модульный элемент - электрохимическую ячейку для обработки жидких сред, в частности воды и/или водных растворов, выполненную из вертикальных цилиндрических коаксиальных внутреннего электрода, внешнего электрода и диафрагмы из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия, разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры. Электроды выполнены из нерастворимого при электролизе материала. Электроды и диафрагма установлены в нижней и верхней диэлектрических втулках, соединенных с коллекторными головками. Во втулках и головках выполнены каналы, обеспечивающие подвод обрабатываемой жидкой среды в нижнюю часть электродных камер и отвод обработанной среды из верхних частей камер. В ячейке диаметр средней части внутреннего электрода определяется соотношением
2МЭР < D < 4МЭР,
где D - диаметр средней части внутреннего электрода, мм,
МЭР - межэлектродное расстояние, мм.The known solution describes a flow-through modular element - an electrochemical cell for processing liquid media, in particular water and / or aqueous solutions, made of vertical cylindrical coaxial inner electrode, an outer electrode and a diaphragm made of zirconia-based ceramic with the addition of aluminum and yttrium oxides separating the interelectrode space on the electrode chambers. The electrodes are made of insoluble material during electrolysis. The electrodes and the diaphragm are installed in the lower and upper dielectric bushings connected to the collector heads. Channels are provided in the bushings and heads, providing a supply of the processed liquid medium to the lower part of the electrode chambers and removal of the treated medium from the upper parts of the chambers. In the cell, the diameter of the middle part of the inner electrode is determined by the ratio
2MER <D <4MER
where D is the diameter of the middle part of the inner electrode, mm,
MER - interelectrode distance, mm.
При использовании известного модульного элемента достигается эффективная обработка воды или водных растворов при низком расходе энергии. Устройства, скомпонованные из этих модулей, достаточно просты в эксплуатации, монтаже и демонтаже. When using the known modular element, effective treatment of water or aqueous solutions with low energy consumption is achieved. Devices composed of these modules are quite simple to operate, assemble and disassemble.
Однако известный модульный элемент обладает рядом недостатков. Он имеет относительно небольшую производительность и недостаточно широкий спектр функциональных возможностей. Кроме того, при использовании в электрохимических процессах синтеза химических продуктов он имеет повышенный расход электроэнергии. Затруднено использование данного элемента в гидравлических схемах с конвективной (за счет газлифта) циркуляцией вспомогательного электролита, а также в схемах со значительными гидравлическими ударами. Отсутствует возможность снижения анодной плотности тока при общем увеличении его силы, т. е. аноды модульного элемента имеют ресурс работы намного меньший, чем, например, диафрагма. Отсутствует возможность использования модульного элемента в качестве проточного электрохимического реактора с биполярным включением электродов. Каталитическая активность электрохимически активированных растворов, синтезированных в данном элементе, недостаточно высока из-за неравномерности распределения средневзвешенного значения потенциала по высоте поверхности анода и катода. However, the known modular element has several disadvantages. It has a relatively small performance and an insufficiently wide range of functionality. In addition, when used in the electrochemical processes of the synthesis of chemical products, it has an increased energy consumption. It is difficult to use this element in hydraulic circuits with convective (due to gas lift) circulation of the auxiliary electrolyte, as well as in circuits with significant hydraulic shocks. There is no possibility of reducing the anode current density with a general increase in its strength, that is, the anodes of the modular element have a much longer service life than, for example, a diaphragm. There is no possibility of using a modular element as a flow-through electrochemical reactor with bipolar inclusion of electrodes. The catalytic activity of electrochemically activated solutions synthesized in this element is not high enough due to the uneven distribution of the weighted average potential over the height of the surface of the anode and cathode.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом использования настоящего изобретения является увеличение производительности модульного элемента при одновременном повышении его надежности и долговечности за счет снижения допустимой плотности анодного тока, повышение каталитической активности электрохимически активированных растворов за счет исключения влияния неравномерности поляризации электродов, а также улучшение функциональных возможностей модульного электрохимического элемента за счет обеспечения возможности обработки сред различного состава как в режиме монополярного проточного диафрагменного электрохимического реактора, так и в режиме биполярного проточного диафрагменного электрохимического реактора, расширение возможностей по управлению протекающими в модуле электрохимическими процессами. Результатом использования изобретения является также улучшение конструкции модульного элемента, что обеспечивает конвективное (за счет газлифта) движение раствора, а также возможность работы модулей в гидравлических системах со значительными быстропеременными колебаниями давления.Disclosure of Invention
The technical result of using the present invention is to increase the productivity of a modular element while increasing its reliability and durability by reducing the permissible density of the anode current, increasing the catalytic activity of electrochemically activated solutions by eliminating the influence of uneven polarization of the electrodes, and also improving the functionality of a modular electrochemical element by providing the possibility of processing media of various compositions both in the mode of a monopolar flow diaphragm electrochemical reactor and in the mode of a bipolar flow diaphragm electrochemical reactor, expanding the ability to control the electrochemical processes occurring in the module. The result of using the invention is also an improvement in the design of the modular element, which provides convective (due to gas lift) movement of the solution, as well as the ability of the modules to operate in hydraulic systems with significant rapidly varying pressure fluctuations.
Указанный результат достигается за счет того, что в проточном электрохимическом модульном элементе для обработки жидкости, содержащем вертикальные цилиндрические внутренний анод, внешний катод и диафрагму из керамики на основе оксида циркония, разделяющей межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, причем электроды и диафрагма с помощью кольцевых уплотнений коаксиально установлены в нижнем и верхнем приспособлениях, выполненных из диэлектрического материала, с обеспечением возможности соответственно для подачи обрабатываемой жидкости в электродные камеры и отвода обработанной жидкости из камер, и эти приспособления снабжены средствами для герметизации электродных камер, анод выполнен секционным из цилиндрической средней секции из пористого титана с электрокаталитическим покрытием, длина которой больше длины катода не менее чем на величину 4МЭР, и стержневых концевых секций из непористого титана, и секции соединены между собой с помощью сварных или прессованных соединений, причем проводимость слоев средней секции анода, образующих в ее поперечном сечении кольцевые срезы, увеличивается от периферии к оси средней секции. При этом длина катода составляет 50 - 240 мм, межэлектродное расстояние равно 2,8-3,3 мм, а диаметр средней секции анода определяется соотношением
2МЭР < D < 4MЭP,
где D - наружный диаметр средней секции анода, мм,
МЭР - межэлектродное расстояние, мм.This result is achieved due to the fact that in a flowing electrochemical modular element for processing liquid, containing a vertical cylindrical inner anode, an external cathode and a diaphragm made of zirconium oxide ceramic, separating the interelectrode space into an anode and cathode chambers, moreover, the electrodes and the diaphragm using ring the seals are coaxially mounted in the lower and upper fixtures made of dielectric material, with the possibility of respectively supplying injected liquid into the electrode chambers and drainage of the treated liquid from the chambers, and these devices are equipped with means for sealing the electrode chambers, the anode is made sectional from a cylindrical middle section of porous titanium with an electrocatalytic coating, the length of which is longer than the length of the cathode by at least 4 MER, and rod end sections of non-porous titanium, and sections are interconnected using welded or extruded joints, and the conductivity of the layers of the middle section of the anode, forming in its transverse section annular sections increases from the periphery to the axis of the middle section. The length of the cathode is 50 - 240 mm, the interelectrode distance is 2.8-3.3 mm, and the diameter of the middle section of the anode is determined by the ratio
2MER <D <4MEP,
where D is the outer diameter of the middle section of the anode, mm,
MER - interelectrode distance, mm.
При уменьшении межэлектродного расстояния ниже значений 2,8 мм вредное влияние на протекание электрохимического процесса оказывают капиллярные эффекты, при увеличении межэлектродного расстояния более 3,3 мм возрастает расход электроэнергии. With a decrease in the interelectrode distance below 2.8 mm, capillary effects have a detrimental effect on the course of the electrochemical process, while an increase in the interelectrode distance of more than 3.3 mm increases the energy consumption.
Предпочтительный размер длины катода 50-240 мм, что позволяет при любых возможных режимах работы ячейки обеспечить оптимальное газонаполнение обрабатываемой жидкости или осуществить циркуляцию вспомогательного электролита за счет газлифта. The preferred length of the cathode is 50-240 mm, which allows for any possible operating conditions of the cell to ensure optimal gas filling of the treated fluid or to circulate the auxiliary electrolyte due to gas lift.
При разности между длиной средней секции анода и длиной катода, меньшей чем 4 МЭР, уменьшается площадь активной поверхности анода, что имеет значение при обработке очень разбавленных растворов и питьевой воды, верхний предел разности между длиной средней секции анода и длиной катода определяется в зависимости от размеров катода по появлению отрицательного влияния индуцированной поляризации на анодное покрытие крайних участков средней секции анода и снижению активности растворов анолита, соприкасающихся с этими участками при обработке растворов с минерализацией выше 2 г/л. When the difference between the length of the middle section of the anode and the length of the cathode is less than 4 MER, the area of the active surface of the anode decreases, which is important when processing very dilute solutions and drinking water, the upper limit of the difference between the length of the middle section of the anode and the length of the cathode is determined depending on the size cathode by the appearance of the negative effect of induced polarization on the anode coating of the extreme sections of the middle section of the anode and the decrease in the activity of anolyte solutions in contact with these areas during processing solutions with salinity higher than 2 g / l.
Выполнение анода составным в виде средней секции из пористого титана и концевых частей из непористого позволяет упростить процесс изготовления анода. Кроме того, наличие отдельных концевых секций позволяет снизить энергозатраты за счет более высокой проводимости непористого титана, а также увеличить механическую прочность креплений анода в модульном элементе, обеспечить необходимую герметичность уплотнений и не допустить нарушения герметичности за счет просачивания жидкости вдоль оси концевых секций. The execution of the anode composite in the form of a middle section of porous titanium and end parts of non-porous allows to simplify the manufacturing process of the anode. In addition, the presence of separate end sections allows to reduce energy consumption due to the higher conductivity of non-porous titanium, as well as to increase the mechanical strength of the anode mounts in the modular element, to ensure the necessary tightness of the seals and prevent leakage due to leakage of fluid along the axis of the end sections.
Выполнение средней секции анода из пористого материала позволяет снизить истинную плотность тока на рабочей поверхности анода (а ею является именно поверхность средней секции) и изменить характер протекающих электрохимических реакций. The execution of the middle section of the anode from a porous material can reduce the true current density on the working surface of the anode (and this is the surface of the middle section) and change the nature of the ongoing electrochemical reactions.
Изменяя послойную проводимость средней секции анода, а именно сохраняя максимальную проводимость по ее оси, можно выровнять потенциал вдоль рабочей поверхности анода и обеспечить равномерную обработку жидкости в элементе. Средняя секция анода может быть выполнена с каналом в средней секции, и по крайней мере одна из концевых секций выполнена с каналом, снабженным штуцером для подачи жидкости и/или газа. То есть, канал средней секции может быть как сквозным, через который возможна циркуляция жидкости или газа внутри анода через каналы в концевых частях (например, подвод жидкости и/или газа через канал в нижней концевой секции и отвод жидкости и/или газа через канал в верхней концевой секции), так и с односторонним подводом, при котором весь объем подаваемой в канал жидкости или газа через поры средней секции поступает в межэлектродное пространство, участвуя в электрохимическом процессе. В среднюю секцию могут подаваться деполяризатор, как жидкий, так и газообразный, или обрабатываемая жидкость, или любые другие дополнительные реагенты. By changing the layer-by-layer conductivity of the middle section of the anode, namely, preserving the maximum conductivity along its axis, it is possible to equalize the potential along the working surface of the anode and ensure uniform processing of the liquid in the element. The middle section of the anode can be made with a channel in the middle section, and at least one of the end sections is made with a channel equipped with a fitting for supplying liquid and / or gas. That is, the channel of the middle section can be as through, through which the circulation of liquid or gas inside the anode through the channels in the end parts is possible (for example, the supply of liquid and / or gas through the channel in the lower end section and the removal of liquid and / or gas through the channel into the upper end section), and with a one-way supply, in which the entire volume of liquid or gas supplied to the channel through the pores of the middle section enters the interelectrode space, participating in the electrochemical process. A depolarizer, either liquid or gaseous, or the liquid to be treated, or any other additional reagents, may be supplied to the middle section.
Канал должен иметь сравнительно малое поперечное сечение, при котором сохраняется достаточный градиент послойной проводимости. The channel should have a relatively small cross section at which a sufficient layer-by-layer conductivity gradient is maintained.
Такое выполнение анода позволяет расширить функциональные возможности ячейки и получать широкий спектр продуктов используя деполяризацию анода с помощью жидкого или газообразного деполяризатора. Также через анод можно подавать в ячейку рабочую среду, что позволяет интенсифицировать процесс, повысить его производительность, а также регулировать тепловой режим работы ячейки. This embodiment of the anode allows you to expand the functionality of the cell and to obtain a wide range of products using depolarization of the anode using a liquid or gaseous depolarizer. Also, through the anode, a working medium can be fed into the cell, which makes it possible to intensify the process, increase its productivity, and also regulate the thermal mode of the cell.
Электрокаталитическое покрытие пористого анода может быть выполнено из оксидов рутения, иридия, марганца или их смеси или из платины, или из иридия. Пористость средней секции анода может изменяться в пределах 3-70%. При пористости меньшей 3% помимо незначительного увеличения истинной поверхности появляется опасность возникновения скачков потенциала на наружной поверхности анода, а кроме того, значительно увеличивается сопротивление тела анода при прокачке через него жидкости или газа, что делает нецелесообразным применение такого анода. При использовании пористого титана с пористостью большей 70% снижается механическая прочность анода и возрастает его удельное электрическое сопротивление. The electrocatalytic coating of the porous anode can be made of oxides of ruthenium, iridium, manganese, or a mixture thereof, or from platinum or from iridium. The porosity of the middle section of the anode can vary between 3-70%. With a porosity of less than 3%, in addition to a slight increase in the true surface, there is a risk of potential jumps on the outer surface of the anode, and in addition, the resistance of the anode body increases when pumping liquid or gas through it, which makes it impractical to use such an anode. When using porous titanium with a porosity of more than 70%, the mechanical strength of the anode decreases and its electrical resistivity increases.
Изменяя пористость анода можно регулировать и изменять условия протекания электрохимических процессов как за счет изменения истинной плотности тока, так и за счет изменения расхода деполяризатора и/или рабочей жидкости. By changing the porosity of the anode, it is possible to adjust and change the conditions of the flow of electrochemical processes both by changing the true current density, and by changing the flow rate of the depolarizer and / or working fluid.
В случае, если поперечное сечение канала средней секции достаточно велико, то обеспечение необходимого градиента послойной проводимости достигается за счет того, что на внутренней поверхности канала средней секции анода нанесен гидравлически непроницаемый слой титана, тантала или ниобия. If the cross section of the channel of the middle section is large enough, then the required gradient of layer-by-layer conductivity is achieved due to the fact that a hydraulically impermeable layer of titanium, tantalum or niobium is deposited on the inner surface of the channel of the middle section of the anode.
Это, с одной стороны, позволяет выровнять потенциал по рабочей поверхности анода, а с другой стороны, позволяет регулировать температуру за счет прокачки через среднюю секцию теплоносителя, что расширяет функциональные возможности ячейки и позволяет обеспечить ее длительную эксплуатацию при повышенной силе тока и пониженном протоке жидкости через электродные камеры, что представляет интерес при получении химических продуктов во время однократного протока раствора через электродную камеру и необходимости обеспечения высокой степени превращения веществ. This, on the one hand, allows you to equalize the potential on the working surface of the anode, and on the other hand, allows you to adjust the temperature by pumping through the middle section of the coolant, which extends the functionality of the cell and allows for its long-term operation with increased current strength and reduced fluid flow through electrode chambers, which is of interest in the preparation of chemical products during a single solution flow through the electrode chamber and the need to ensure a high degree of transformations of substances.
Катод может быть выполнен из различных материалов, а на наружной поверхности катода также нанесен слой металла с более высокой, чем у материала основы, электропроводностью, например меди. Слой может иметь как постоянную толщину по всей длине катода, так переменную толщину по длине катода от максимального значения на одном конце до минимального на другом, при этом в последнем случае напряжение на катод подается в области максимальной толщины слоя металла с высокой электропроводностью. Нанесение покрытия также позволяет снизить энергозатраты и улучшить распределение потенциала по рабочей поверхности катода. The cathode can be made of various materials, and on the outer surface of the cathode a metal layer with a higher conductivity than that of the base material, such as copper, is also deposited. The layer can have both a constant thickness along the entire length of the cathode, and a variable thickness along the length of the cathode from the maximum value at one end to the minimum at the other, in this case, the voltage is applied to the cathode in the region of the maximum thickness of the metal layer with high electrical conductivity. Coating also reduces energy costs and improves the distribution of potential over the working surface of the cathode.
Приспособления для установки электродов и диафрагмы могут быть выполнены в виде нижней и верхней диэлектрических втулок, имеющих соответственно каналы для ввода и вывода жидкости в катодную камеру и установленных на втулках нижней и верхней диэлектрических коллекторных головок, которые установлены в пазах втулок с возможностью поворота на 360o, и выполнены соответственно с каналами подвода и отвода жидкости в анодную камеру. Каналы втулок и головок снабжены штуцерами для закрепления гибких шлангов или быстроразъемными соединениями с замками, снабженными уплотнительными кольцами, и имеют поперечное сечение, равное 0,1 -1,1 площади поперечного сечения соответствующей электродной камеры.Devices for installing the electrodes and the diaphragm can be made in the form of lower and upper dielectric bushings, respectively having channels for introducing and discharging fluid into the cathode chamber and mounted on the bushings of the lower and upper dielectric collector heads, which are mounted in grooves of the sleeves with the possibility of rotation through 360 o , and are respectively made with channels for supplying and discharging liquid into the anode chamber. The channels of the bushings and heads are equipped with fittings for securing flexible hoses or quick disconnect connections with locks provided with o-rings and have a cross section equal to 0.1-1.1 of the cross-sectional area of the corresponding electrode chamber.
Такое выполнение позволяет надежно закрепить электроды и диафрагму, а также обеспечивает быстрое и удобное соединение ячеек в блоки. Кроме того, установка головок с возможностью поворота позволяет экономно использовать пространство при компоновке реакторов из большого числа модульных элементов. Патрубки во втулках и головках могут быть выполнены таким образом, что обеспечивают тангенциальный ввод и вывод обрабатываемой жидкости из электродных камер, что способствует выравниванию скоростей протока жидкости во всех точках периметра начального и конечного сечения электродных камер. This embodiment allows you to securely fix the electrodes and the diaphragm, and also provides a quick and convenient connection of cells into blocks. In addition, the installation of heads with the possibility of rotation allows economical use of space when arranging reactors from a large number of modular elements. The nozzles in the bushings and heads can be made in such a way that they provide tangential input and output of the processed fluid from the electrode chambers, which helps to equalize the fluid flow rates at all points of the perimeter of the initial and final section of the electrode chambers.
Диафрагма электрохимической ячейки выполнена из керамики на основе оксидов циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия или с добавками оксидов алюминия, иттрия и ниобия, и/или тантала, и/или титана, и/или гадолиния, и/или гафния и может быть выполнена в виде усеченного конуса с величиной конусности 1: (100 -1000) и одинаковой толщиной стенок по всей длине, равной 0,4-0,8 мм, и установлена в ячейке или большим основанием вниз, или большим основанием вверх. Или наружная, или внутренняя поверхность диафрагмы выполнена цилиндрической, а соответственно внутренняя или наружная - конусообразной с величиной конусности 1:(100-1000), при этом толщина стенок у одного торца составляет 0,4-0,5 мм, а у другого - 0,7-0,8 мм, и диафрагма установлена в ячейке таким образом, что торец с более толстыми стенками или обращен вниз, или обращен вверх. Вариантом выполнения диафрагмы является такой, при котором наружная и внутренняя поверхности диафрагмы выполнены в виде усеченных конусов с величиной конусности 1:(100-1000), причем конусы вершинами направлены в разные стороны и толщина стенок у одного торца составляет 0,4-0,5 мм, а у другого - 0,7-0,8 мм, и диафрагма установлена в ячейке таким образом, что торец с более толстыми стенками или обращен вниз, или обращен вверх. The diaphragm of the electrochemical cell is made of ceramic based on zirconium oxides with the addition of aluminum and yttrium oxides or with the addition of aluminum, yttrium and niobium oxides and / or tantalum and / or titanium and / or gadolinium and / or hafnium and can be made in in the form of a truncated cone with a taper value of 1: (100 -1000) and the same wall thickness over the entire length, equal to 0.4-0.8 mm, and is installed in the cell with either a large base down or a large base up. Either the outer or inner surface of the diaphragm is cylindrical, and accordingly, the inner or outer is conical with a taper of 1: (100-1000), while the wall thickness at one end is 0.4-0.5 mm, and at the other 0 , 7-0.8 mm, and the diaphragm is installed in the cell so that the end face with thicker walls is either facing down or facing up. An embodiment of the diaphragm is one in which the outer and inner surfaces of the diaphragm are made in the form of truncated cones with a taper of 1: (100-1000), the cones with their vertices pointing in different directions and the wall thickness at one end is 0.4-0.5 mm, and the other 0.7-0.8 mm, and the diaphragm is installed in the cell in such a way that the end face with thicker walls either faces down or faces up.
Диафрагма из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия обладает высокой устойчивостью к действию кислот и щелочей, агрессивных газов и имеет высокий срок службы, легко регенерируется. Введение различных добавок позволяет регулировать свойства поверхности диафрагмы и оказывать направленное воздействие на протекание электрохимического процесса, что особенно важно при использовании электрохимической ячейки для получения каких-либо продуктов. Таким образом, диафрагма может быть выполнена из различных материалов и выполнена ультрафильтрационной, микрофильтрационной или нанофильтрационной в зависимости от условий решаемой задачи. The diaphragm made of ceramic based on zirconium oxide with the addition of aluminum and yttrium oxides is highly resistant to acids and alkalis, aggressive gases and has a high service life, is easily regenerated. The introduction of various additives allows you to adjust the surface properties of the diaphragm and have a directed effect on the course of the electrochemical process, which is especially important when using an electrochemical cell to obtain any products. Thus, the diaphragm can be made of various materials and performed ultrafiltration, microfiltration or nanofiltration depending on the conditions of the problem being solved.
На условия работы ячейки также влияет форма диафрагмы и то, каким образом она установлена в ячейке относительно потока обрабатываемой воды, протекающей через ячейку. Так, диафрагма может быть выполнена в виде усеченного конуса с одинаковой толщиной стенок по всей длине, равной 0,4-0,8 мм, и установлена в ячейке или большим основанием вниз, или большим основанием вверх, или одна поверхность диафрагмы выполнена цилиндрической, а другая - конусообразной, при этом толщина стенок у одного торца составляет 0,4-0,5 мм, а у другого - 0,7-0,8 мм, и диафрагма установлена в ячейке таким образом, что торец с более толстыми стенками или обращен вниз, или обращен вверх, или наружная и внутренняя поверхности диафрагмы могут быть выполнены в виде усеченных конусов, причем конусы вершинами направлены в разные стороны и толщина стенок у одного торца составляет 0,4-0,5 мм, а у другого - 0,7-0,8 мм, и диафрагма установлена в ячейке таким образом, что торец с более толстыми стенками или обращен вниз, или обращен вверх. Использование диафрагм с меньшей, чем указано в формуле изобретения, конусностью не дает нового результата по сравнению с цилиндрическими диафрагмами. При использовании диафрагм с большей конусностью, а также при увеличении толщины стенок диафрагмы необходимо изменять размеры устройства и увеличивать межэлектродное расстояние, что приводит к возрастанию энергозатрат на проведение процесса. Уменьшение размеров толщины стенок диафрагмы ниже указанных увеличивают хрупкость диафрагмы, что влияет на срок службы и затрудняет процессы монтажа и демонтажа ячейки. Кроме того, использование диафрагмы, образующие которой являются конусными, позволяет на основе одного электродного блока формировать ячейки с переменным проходным сечением электродных камер. Таким образом, появляется возможность регулировать протекание электрохимического процесса. Так, при использовании ячейки в процессах с высоким газовыделением диафрагмы устанавливаются так, чтобы сечение камер по мере продвижения жидкости вверх увеличивалось. Но для решения задачи по уменьшению интенсивности электрохимической обработки раствора на последнем участке его пути в ячейке необходимо повысить газонаполнение в верхней части, и диафрагма в этом случае устанавливается с уменьшением сечения камеры снизу вверх. Использование диафрагм, обеспечивающих переменное сечение только в одной из камер (одна поверхность цилиндр, другая - конус), позволяет учитывать в процессе обработки разницу в объемах электролитических газов, выделяющихся в камерах. Кроме того, такие диафрагмы, как и диафрагмы, в которых обе поверхности усеченные конусы с разнонаправленными вершинами, могут эффективно использоваться при обработке в электродных камерах растворов с разным качественным и количественным составом. The shape of the diaphragm and how it is installed in the cell relative to the flow of treated water flowing through the cell also influence the working conditions of the cell. So, the diaphragm can be made in the form of a truncated cone with the same wall thickness over the entire length, equal to 0.4-0.8 mm, and installed in the cell either with a large base down, or a large base up, or one surface of the diaphragm is made cylindrical, and the other is cone-shaped, while the wall thickness at one end is 0.4-0.5 mm, and at the other 0.7-0.8 mm, and the diaphragm is installed in the cell so that the end with thicker walls or faces down, or facing up, or the outer and inner surfaces of the diaphragm may be in filled in the form of truncated cones, the cones with their vertices pointing in different directions and the wall thickness at one end is 0.4-0.5 mm and at the other 0.7-0.8 mm, and the diaphragm is installed in the cell in such a way that the end with thicker walls is either facing down or facing up. The use of diaphragms with a lower taper than indicated in the claims does not give a new result in comparison with cylindrical diaphragms. When using diaphragms with greater taper, as well as increasing the thickness of the walls of the diaphragm, it is necessary to change the dimensions of the device and increase the interelectrode distance, which leads to an increase in energy consumption for the process. Reducing the size of the thickness of the walls of the diaphragm below the specified increase the fragility of the diaphragm, which affects the service life and complicates the process of mounting and dismounting the cell. In addition, the use of a diaphragm, the generators of which are conical, allows one to form cells with a variable passage section of the electrode chambers on the basis of one electrode block. Thus, it becomes possible to regulate the course of the electrochemical process. So, when using cells in processes with high gas evolution, the diaphragms are set so that the cross section of the chambers increases as the liquid moves up. But to solve the problem of reducing the intensity of the electrochemical treatment of the solution in the last section of its path in the cell, it is necessary to increase the gas filling in the upper part, and the diaphragm in this case is set with a decrease in the chamber cross section from the bottom up. The use of diaphragms that provide a variable cross section in only one of the chambers (one surface is a cylinder, the other is a cone) allows us to take into account the difference in the volumes of electrolytic gases released in the chambers during processing. In addition, such diaphragms as diaphragms, in which both surfaces are truncated cones with multidirectional vertices, can be effectively used when processing solutions with different qualitative and quantitative composition in electrode chambers.
Однако внутренняя и наружная поверхности диафрагмы могут быть выполнены цилиндрическими, при этом толщина стенок составляет 0,4-0,7 мм, что эффективно при обработке очень разбавленных растворов. Следует отметить, что отклонение от геометрически правильной поверхности диафрагмы в любой точке ее поверхности должно составлять не более 0,2 мм. В противном случае изменяются условия образования двойного электрического слоя на поверхности диафрагмы и изменяется влияние этого слоя на сопротивление диафрагмы, что нарушает равномерность ее работы по поверхности и ведет к снижению качества обработки растворов. However, the inner and outer surfaces of the diaphragm can be made cylindrical, while the wall thickness is 0.4-0.7 mm, which is effective when processing very dilute solutions. It should be noted that the deviation from the geometrically correct surface of the diaphragm at any point on its surface should be no more than 0.2 mm. Otherwise, the conditions for the formation of a double electric layer on the surface of the diaphragm change and the effect of this layer on the resistance of the diaphragm changes, which violates the uniformity of its work on the surface and leads to a decrease in the quality of processing solutions.
Диафрагма закреплена с помощью упругих прокладок, расположенных в пазах приспособлений для фиксации, что позволяет упростить процесс монтажа ячейки и обеспечить соосность диафрагмы и электродов. The diaphragm is fixed with elastic gaskets located in the slots of the fixtures for fixation, which simplifies the process of mounting the cell and ensures alignment of the diaphragm and electrodes.
В зависимости от условий решаемых задач диафрагма выполняется или с одинаковой пористостью, например ультра-, микро- или нанофильтрационной, или пористость диафрагмы изменяется по ее длине, что позволяет направлено изменять характер обработки растворов, протекающих через камеры ячейки. За счет изменения протекаемости диафрагмы и, как следствие, характеристик растворов изменяется их состав и возможно изменение протекающих процессов как на электродах, так и в объеме раствора. Depending on the conditions of the tasks being solved, the diaphragm is either with the same porosity, for example, ultra-, micro-, or nanofiltration, or the porosity of the diaphragm varies along its length, which allows one to directionally change the nature of the processing of solutions flowing through the cell chambers. Due to changes in the permeability of the diaphragm and, as a consequence, the characteristics of the solutions, their composition changes and it is possible to change the ongoing processes both on the electrodes and in the volume of the solution.
По крайней мере на части поверхности пор диафрагмы может быть нанесено тонкослойное металлическое покрытие, равномерно распределенное по толщине диафрагмы. At least part of the pore surface of the diaphragm can be applied with a thin layer of metal coating uniformly distributed over the thickness of the diaphragm.
Диафрагма может быть выполнена таким образом, что по крайней мере на часть поверхности диафрагмы со стороны катода нанесено тонкослойное металлическое покрытие, равномерно распределенное по поверхности и не изменяющее проницаемость диафрагмы. Во всех случаях в качестве материала покрытия используют платину, иридий или золото. The diaphragm can be made in such a way that at least part of the surface of the diaphragm on the cathode side is coated with a thin layer of metal coating uniformly distributed over the surface and not changing the permeability of the diaphragm. In all cases, platinum, iridium or gold is used as the coating material.
Использование диафрагм, содержащих тонкослойное металлическое покрытие на поверхности пор, позволяет на основе одного электродного блока модифицировать электрохимический модуль в биполярный с возможностью регулирования перепада давлений в электродных камерах, что позволяет значительно увеличить производительность, а кроме того, направлено изменять характер протекающих при обработке процессов за счет использования различия в протекающих на электродах процессах. The use of diaphragms containing a thin-layer metal coating on the pore surface allows one to modify the electrochemical module into a bipolar module based on one electrode block with the ability to control the pressure drop in the electrode chambers, which can significantly increase productivity, and in addition, it is directed to change the nature of the processes occurring during processing due to the use of differences in the processes occurring on the electrodes.
Если металлический слой нанесен на поверхность диафрагмы со стороны катода, то обеспечивается возможность избежать образования на диафрагме катодных отложений, а также регулировать состав обрабатываемой среды за счет анодного окисления. Следует отметить, что модификационный слой должен иметь такую толщину, при которой на электрохимические процессы в этом слое расходуется не более 25% протекающего через ячейку тока. If a metal layer is deposited on the surface of the diaphragm from the side of the cathode, it is possible to avoid the formation of cathode deposits on the diaphragm, as well as to regulate the composition of the medium being treated due to anodic oxidation. It should be noted that the modification layer must have a thickness such that no more than 25% of the current flowing through the cell is spent on electrochemical processes in this layer.
Данная совокупность признаков позволяет добиться достижения указанного технического результата. This set of features allows to achieve the specified technical result.
Краткое описание фигур чертежей
Изобретение иллюстрируется следующими рисунками.Brief Description of the Drawings
The invention is illustrated by the following figures.
На фиг. 1. представлен общий вид проточного электрохимического модуля в разрезе. In FIG. 1. presents a General view of a flowing electrochemical module in the context.
На фиг. 2 и 3 представлены некоторые возможные варианты различного пространственного закрепления втулок и головок модуля. In FIG. Figures 2 and 3 show some possible variants of various spatial fixing of the module bushings and heads.
На фиг. 4 - 6 представлены варианты выполнения средней части анода и графики, иллюстрирующие изменение послойной проводимости средней секции при таком выполнении. In FIG. 4 to 6 show embodiments of the middle part of the anode and graphs illustrating the change in the layer-by-layer conductivity of the middle section in this embodiment.
На фиг. 4а, 5а и 6а представлены графики, иллюстрирующие изменение электропроводности (χ) материала средней секции анода по мере удаления от оси средней секции по ее радиусу (r). Графики представлены для различных конструктивных выполнений средней секции - сплошной (фиг. 4а), с каналом (фиг. 5а) и с каналом, внутренняя поверхность которого покрыта гидравлически непроницаемым слоем (фиг. 6а). In FIG. 4a, 5a and 6a are graphs illustrating the change in electrical conductivity (χ) of the material of the middle section of the anode as it moves away from the axis of the middle section along its radius (r). Graphs are presented for various structural designs of the middle section - solid (Fig. 4a), with a channel (Fig. 5a) and with a channel, the inner surface of which is covered with a hydraulically impermeable layer (Fig. 6a).
Проточный электрохимический модуль ПЭМ-4 (фиг. 1) состоит из внешнего цилиндрического катода 1, внутреннего анода, выполненного из средней секции из пористого титана 2 и концевых частей 3 и 4 из непористого титана, а также керамической диафрагмы 5 между ними. Катод 1 герметично и жестко закреплен в нижней и верхней диэлектрических втулках 6 и 7. Втулка 6 имеет канал для подвода обрабатываемой жидкости в катодную камеру, а втулка 7 - для отвода обработанной жидкости из катодной камеры. Каналы выведены на боковую поверхность втулок и снабжены штуцерами соответственно 8 и 9. На внешних торцах втулок установлены нижняя 10 и верхняя 11 диэлектрические коллекторные головки, имеющие соответственно каналы для подвода обрабатываемой жидкости в анодную камеру и отвода обработанной жидкости из нее. Каналы головок также выведены на их боковую поверхность и снабжены штуцерами соответственно 12 и 13. В головках выполнены также осевые каналы, в которые входят концевые секции анода 3 и 4. Диафрагма 5 зафиксирована в головках с помощью прокладок 14 и 15, расположенных в пазовых соединениях втулок 6 и 7 и головок соответственно 10 и 11. Анод фиксируется с помощью упругих уплотнений 16 и 17, расположенных в кольцевых углублениях на концах средней секции 2. Катод 1, анод и диафрагма 5 установлены коаксиально. На концевых секциях 3 и 4 выполнена резьба и размещены прижимные шайбы 18 и 19 и гайки 20 и 21. Герметизация модуля производится после определения необходимого положения головок при стягивании втулок и головок к торцам катода 1 гайками 20 и 21 с шайбами 18 и 19 на концевых секциях 3 и 4 анода. The flow-through electrochemical module FEM-4 (Fig. 1) consists of an external cylindrical cathode 1, an internal anode made of a middle section of
Средняя секция анода 2 может быть выполнена сплошной (фиг. 4) или полой (фиг. 5). В этих случаях изменение послойной проводимости в поперечном срезе средней секции достигается за счет изменения пористости слоев (фиг. 4а и 5а). The middle section of the
Средняя секция 2 также может быть выполнена полой с гидравлически непроницаемым слоем металла 22 на внутренней поверхности полости средней секции 2 (фиг. 6). Изменение послойной проводимости в поперечном срезе средней секции показано на фиг. 6а. The
При выполнении средней секции 2 анода полой в концевых секциях 3 и 4 выполняются каналы 23, снабженные штуцерами 24. When performing the
Проточный электрохимический модуль работает следующим образом. Flow electrochemical module operates as follows.
Обрабатываемая жидкость раздельными потоками по штуцерам 8 и 12 подается в электродные камеры. Обработка происходит во время однократного протока обрабатываемой среды снизу вверх через камеры модуля. В зависимости от условий решаемой задачи и выполнения секций анода по каналам 23 через штуцера 24 в полость средней секции 2 подается или рабочая жидкость, которая через поры секции 2 поступает в межэлектродное пространство, или деполяризатор (жидкость или газ), или в случае нанесения гидравлически непроницаемого покрытия 22 через полость секции 2 прокачивают теплоноситель. The processed fluid in separate streams through the nozzles 8 and 12 is fed into the electrode chambers. Processing takes place during a single flow of the medium being processed from the bottom up through the module chambers. Depending on the conditions of the task being solved and the anode sections being executed, the working fluid is supplied through the
Обработанная жидкость через штуцера 9 и 13 выводится из модуля. The processed fluid through the
Варианты осуществления изобретения
Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможностей реализации изобретения. Во всех примерах, если это не оговорено особо, использовалась ультрафильтрационная диафрагма из керамики состава: оксид циркония - 60 мас.%, оксид алюминия - 27 мас.% и оксид иттрия - 3 мас.%. Длина катода в ячейке составляла 200 мм, межэлектродное расстояние - 3 мм.Embodiments of the invention
The invention is illustrated by the following examples, which, however, do not exhaust all the possibilities of implementing the invention. In all examples, unless otherwise specified, an ultrafiltration diaphragm made of ceramic composition was used: zirconium oxide - 60 wt.%, Alumina - 27 wt.% And yttrium oxide - 3 wt.%. The cathode length in the cell was 200 mm, and the interelectrode distance was 3 mm.
Пример 1. Проточный электрохимический модуль ПЭМ-4 использовался в установке, описанной в полезной модели РФ N 3601 для получения анолита типа АН. В модуле внешний электрод был подключен к отрицательному полюсу источника тока, внутренний - к положительному полюсу. Средняя секция анода согласно изобретению была выполнена из пористого титана, и изменение послойной проводимости в средней секции достигалось за счет выполнения ее с переменной пористостью 50% на наружной поверхности и 10% по оси. Анодное электрокаталитическое покрытие выполнено из оксидов рутения и иридия. В модуле был использован катод, на наружной поверхности которого нанесен гальваническим способом слой меди переменного сечения. В нижней части катода толщина слоя меди составляла 1,0 мкм, в верхней - 5 мкм. Подвод тока к катоду осуществлялся в верхней части, т.е. в области наибольшей толщины медного покрытия. Обработке подвергался раствор хлорида натрия в водопроводной питьевой воде концентрацией 2,5 г/л. При удельных затратах количества электричества 0,5 А • ч/л (сила тока 10 А, объемный расход анолита 20 л/ч) удельный расход электроэнергии на синтез оксидантов составил 5,0 Вт • ч/г (напряжение 7 В, концентрация оксидантов в анолите 700 мг/л). Example 1. The flow-through electrochemical module FEM-4 was used in the installation described in the utility model of the Russian Federation N 3601 to obtain anolyte type AN. In the module, the external electrode was connected to the negative pole of the current source, and the internal one to the positive pole. The middle section of the anode according to the invention was made of porous titanium, and a change in the layer-by-layer conductivity in the middle section was achieved by performing it with a variable porosity of 50% on the outer surface and 10% along the axis. The anode electrocatalytic coating is made of ruthenium and iridium oxides. A cathode was used in the module, on the outer surface of which a layer of copper of variable cross section was galvanically applied. In the lower part of the cathode, the thickness of the copper layer was 1.0 μm, in the upper - 5 μm. The current was supplied to the cathode in the upper part, i.e. in the region of the greatest thickness of the copper coating. The treatment was subjected to a solution of sodium chloride in tap drinking water with a concentration of 2.5 g / L. At specific costs of the amount of electricity 0.5 A • h / l (current 10 A, anolyte volume flow 20 l / h), the specific energy consumption for the synthesis of oxidants was 5.0 W • h / g (voltage 7 V, the concentration of oxidants in anolyte 700 mg / l).
При повторении того же опыта с модулем, в котором использовался катод без покрытия медью, концентрация оксидантов в анолите снизилась до 650 мг/л, т.е. удельный расход энергии на синтез оксидантов увеличился и составил 5,38 Вт • ч/г. When repeating the same experiment with the module in which the cathode without copper coating was used, the concentration of oxidants in the anolyte decreased to 650 mg / l, i.e. specific energy consumption for the synthesis of oxidants increased and amounted to 5.38 W • h / g.
При использовании ячейки по прототипу с непористым титановым анодом с анодным покрытием того же состава (оксиды рутения и иридия) и с покрытым медью катодом при тех же удельных затратах количества электричества (0,5 А • ч/л при силе тока 10 А и объемном расходе анолита 20 л/ч) удельный расход электроэнергии на синтез оксидантов составил 7,4 Вт • ч/г (напряжение 8,5 В, концентрация оксидантов в анолите 570 мг/л). When using a cell according to the prototype with a non-porous titanium anode with an anode coating of the same composition (ruthenium and iridium oxides) and with a copper-coated cathode at the same specific cost of the amount of electricity (0.5 A • h / l at a current of 10 A and volumetric flow rate anolyte 20 l / h) the specific energy consumption for the synthesis of oxidants was 7.4 W • h / g (voltage 8.5 V, the concentration of oxidants in the anolyte 570 mg / l).
Пример 2. В процессе получения анолита типа АН в условиях примера 1 использовался модуль, внешний электрод которого подключен к отрицательному полюсу источника тока, внутренний - к положительному полюсу. Средняя секция анода выполнена полой со сквозным каналом, диаметр которого составляет 2,5 мм, из пористого титана с переменной пористостью 40% на наружной поверхности и 20% на внутренней поверхности канала в средней секции электрода. Поверхность канала в пористом титановом аноде была покрыта химически осажденным гидравлически непроницаемым слоем тантала толщиной 50 мкм. Полость внутри средней секции анода соединена осевыми каналами диаметром 1 мм со штуцерами на стержневых концевых секциях анода. Анодное покрытие - оксиды рутения и иридия. Через полость внутри анода осуществлялся проток воды с объемным расходом 10 л/ч и температурой 18oC. Обработке подвергался раствор хлорида натрия в водопроводной питьевой воде концентрацией 2,5 г/л. При удельных затратах количества электричества 0,5 А • ч/л (сила тока 10 А, объемный расход анолита 20 л/ч) удельный расход электроэнергии на синтез оксидантов составил 4,26 Вт • ч/г (напряжение 7,5 В, концентрация оксидантов в анолите 880 мг/л).Example 2. In the process of obtaining anolyte type AN under the conditions of example 1, a module was used, the external electrode of which is connected to the negative pole of the current source, and the internal electrode to the positive pole. The middle section of the anode is hollow with a through channel, the diameter of which is 2.5 mm, from porous titanium with a variable porosity of 40% on the outer surface and 20% on the inner surface of the channel in the middle section of the electrode. The channel surface in the porous titanium anode was coated with a chemically deposited hydraulically impermeable tantalum layer with a thickness of 50 μm. The cavity inside the middle section of the anode is connected by axial channels with a diameter of 1 mm with fittings on the rod end sections of the anode. Anode coating - oxides of ruthenium and iridium. Through the cavity inside the anode, a flow of water was carried out with a volume flow of 10 l / h and a temperature of 18 o C. The solution was subjected to a solution of sodium chloride in tap drinking water with a concentration of 2.5 g / l. At specific costs of the amount of electricity 0.5 A • h / l (current 10 A, anolyte volume flow 20 l / h), the specific energy consumption for the synthesis of oxidants was 4.26 W • h / g (voltage 7.5 V, concentration oxidants in anolyte 880 mg / l).
При повторении того же опыта без протока воды через внутренний канал анода напряжение снизилось до 7 В, а концентрация оксидантов - до 680 мг/л, т. е. удельный расход энергии на синтез оксидантов увеличился до 5,14 Вт • ч/г. When repeating the same experiment without water flow through the internal channel of the anode, the voltage decreased to 7 V, and the concentration of oxidants to 680 mg / l, i.e., the specific energy consumption for the synthesis of oxidants increased to 5.14 W • h / g.
Пример 3. Проточный электрохимический модуль ПЭМ-4 использовался в установке, описанной в патенте РФ N 2088693 для получения хлора. Внешний электрод модуля был подключен к отрицательному полюсу источника тока, внутренний - к положительному полюсу. Средняя секция анода была выполнена полой (диаметр канала 2,5 мм) из пористого титана с переменной пористостью 40% на наружной поверхности и 20% на внутренней поверхности канала в средней секции электрода. Полость внутри средней секции анода соединена осевыми каналами диаметром 1 мм со штуцерами на стержневых концевых секциях анода. Анодное покрытие представлено оксидами рутения и иридия. Подача солевого раствора в анодный циркуляционный контур осуществлялась посредством ввода солевого раствора концентрацией 200 г/л в полость анода через нижний штуцер на концевой секции с последующей фильтрацией этого раствора через пористый материал (титан) средней секции в анодную электродную камеру. При силе тока 8 А и напряжении 2,8 B в течение часа было получено 12 г газообразного хлора. Таким образом, удельный расход энергии составил 1,86 Вт • ч/г. Example 3. Flow-through electrochemical module PEM-4 was used in the installation described in the patent of the Russian Federation N 2088693 to produce chlorine. The external electrode of the module was connected to the negative pole of the current source, and the internal electrode to the positive pole. The middle section of the anode was hollow (channel diameter 2.5 mm) of porous titanium with a variable porosity of 40% on the outer surface and 20% on the inner surface of the channel in the middle section of the electrode. The cavity inside the middle section of the anode is connected by axial channels with a diameter of 1 mm with fittings on the rod end sections of the anode. The anode coating is represented by oxides of ruthenium and iridium. Salt solution was supplied to the anode circulation loop by injecting a 200 g / l salt solution into the anode cavity through the lower fitting at the end section, followed by filtering this solution through a porous material (titanium) of the middle section into the anode electrode chamber. At a current strength of 8 A and a voltage of 2.8 V, 12 g of chlorine gas were obtained over an hour. Thus, the specific energy consumption was 1.86 W • h / g.
При повторении этого же исследования на ячейке по прототипу с непористым анодом напряжение увеличилось до 3,1 B при токе 8 А, а количество хлора, полученное за час, составило 10 г. В этом случае удельный расход энергии составил 2,48 Вт • ч/г. When repeating the same study on a cell of a prototype with a non-porous anode, the voltage increased to 3.1 V at a current of 8 A, and the amount of chlorine obtained per hour was 10 g. In this case, the specific energy consumption was 2.48 W • h / g.
Пример 4. Проточный электрохимический модуль ПЭМ-4 использовался в установке, описанной в патенте РФ N 2088539 для получения анолита типа АНК. Внешний электрод модуля был подключен к отрицательному полюсу источника тока, внутренний - к положительному полюсу. Средняя секция анода была выполнена полой (диаметр канала 2,5 мм) из пористого титана с переменной пористостью 40% на наружной поверхности и 20% на внутренней поверхности канала в средней секции электрода. Полость внутри средней секции анода соединена осевыми каналами диаметром 1 мм со штуцерами на стержневых концевых секциях анода. Анодное покрытие было представлено оксидами рутения и иридия. В полость анода через нижний штуцер на концевой секции вводили углекислый газ с последующей его фильтрацией через пористый материал (титан) средней секции в анодную электродную камеру. Обработке подвергался раствор хлорида натрия в водопроводной питьевой воде концентрацией 0,5 г/л. При удельных затратах количества электричества 0,25 А • ч/л (сила тока 5,0 А, объемный расход анолита 20 л/ч) удельный расход электроэнергии на синтез оксидантов составил 18,5 Вт • ч/г (напряжение 20 В, концентрация оксидантов в анолите 270 мг/л). Example 4. A flow-through electrochemical module PEM-4 was used in the apparatus described in RF patent N 2088539 to obtain anolyte type ANK. The external electrode of the module was connected to the negative pole of the current source, and the internal electrode to the positive pole. The middle section of the anode was hollow (channel diameter 2.5 mm) of porous titanium with a variable porosity of 40% on the outer surface and 20% on the inner surface of the channel in the middle section of the electrode. The cavity inside the middle section of the anode is connected by axial channels with a diameter of 1 mm with fittings on the rod end sections of the anode. The anode coating was represented by oxides of ruthenium and iridium. Carbon dioxide was introduced into the anode cavity through the lower fitting at the end section, followed by its filtration through porous material (titanium) of the middle section into the anode electrode chamber. The treatment was subjected to a solution of sodium chloride in tap drinking water with a concentration of 0.5 g / L. At specific costs of the amount of electricity 0.25 A • h / l (current 5.0 A, anolyte volume flow 20 l / h), the specific energy consumption for the synthesis of oxidants was 18.5 W • h / g (voltage 20 V, concentration oxidants in anolyte 270 mg / l).
При этом в анолите АНК присутствовали являющиеся мощными дезинфектантами пероксокарбонаты натрия (HOC(O)OOC(O)ONa; HOC(O)OONa) в количестве 14 - 17 мг/л. Moreover, sodium peroxocarbonates (HOC (O) OOC (O) ONa; HOC (O) OONa) in the amount of 14 - 17 mg / L were present in the anolyte ANC.
При повторении этого исследования без подачи углекислого газа в полость пористого анода напряжение при токе 5 А составило 25 В, а содержание оксидантов в анолите уменьшилось до 220 мг/л. When repeating this study without feeding carbon dioxide into the cavity of the porous anode, the voltage at a current of 5 A was 25 V, and the content of oxidants in the anolyte decreased to 220 mg / L.
Промышленная применимость
Предложенное изобретение позволяет увеличить производительность модульного элемента при одновременном повышении его надежности и долговечности за счет снижения допустимой плотности анодного тока, повысить каталитическую активности электрохимически активированных растворов за счет исключения влияния неравномерности поляризации электродов, а также улучшить функциональные возможности модульного электрохимического элемента за счет обеспечения возможности обработки сред различного состава как в режиме монополярного проточного диафрагменного электрохимического реактора, так и в режиме биполярного проточного диафрагменного электрохимического реактора при усовершенствовании конструкции модульного элемента, что обеспечивает конвективное (за счет газлифта) движение раствора, а также возможность работы модулей в гидравлических системах со значительными быстропеременными колебаниями давления. Также обеспечивается расширение возможностей по управлению протекающими в модуле электрохимическими процессами.Industrial applicability
The proposed invention allows to increase the productivity of a modular element while increasing its reliability and durability by reducing the permissible density of the anode current, to increase the catalytic activity of electrochemically activated solutions by eliminating the influence of uneven polarization of the electrodes, and also to improve the functionality of a modular electrochemical element due to the possibility of processing media of different composition as in monopolar flow mode afragmennogo electrochemical reactor, and in the mode of bipolar diaphragm-flow electrochemical reactor at improving the construction of the modular element that provides convection (due to the lift-gas) fluid movement, and the ability of the modules in hydraulic systems with significant rapidly varying fluctuations of pressure. It also provides enhanced capabilities for managing the electrochemical processes occurring in the module.
Claims (14)
2МЭР < D < 4МЭР,
где D - наружный диаметр средней части анода, мм;
МЭР - межэлектродное расстояние, мм,
отличающийся тем, что анод выполнен секционным из цилиндрической средней секции из пористого титана с электрокаталитическим покрытием, длина которой больше длины катода не менее чем на величину 4МЭР, и стержневых концевых секций из непористого титана, секции соединены между собой с помощью сварных или прессованных соединений, причем проводимость слоев средней секции анода, образующих в ее поперечном сечении кольцевые срезы, увеличивается от периферии к оси средней секции.1. Flow-through electrochemical modular element for liquid treatment, containing a vertical cylindrical inner anode, an outer cathode and a diaphragm made of zirconia ceramic, separating the interelectrode space into the anode and cathode chambers, the electrodes and the diaphragm being coaxially mounted in the lower and upper rings devices made of dielectric material with the possibility of respectively supplying the treated fluid to the electrode chambers and removal of the process tannoy fluid from the chambers, tools are provided with means for sealing the electrode chambers, wherein the cathode length is 50 - 240 mm and the interelectrode distance is 2.8 - 3.3 mm and the diameter of the anode is determined by the relation
2MER <D <4MER
where D is the outer diameter of the middle part of the anode, mm;
MER - interelectrode distance, mm,
characterized in that the anode is made sectional of a cylindrical middle section of porous titanium with an electrocatalytic coating, the length of which is longer than the cathode by at least 4 MER, and of the rod end sections of non-porous titanium, the sections are interconnected using welded or extruded joints, moreover the conductivity of the layers of the middle section of the anode, forming annular sections in its cross section, increases from the periphery to the axis of the middle section.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98119639A RU2145940C1 (en) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | Flow-through electrochemical modular member for treatment of liquid |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98119639A RU2145940C1 (en) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | Flow-through electrochemical modular member for treatment of liquid |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2145940C1 true RU2145940C1 (en) | 2000-02-27 |
Family
ID=20211780
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98119639A RU2145940C1 (en) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | Flow-through electrochemical modular member for treatment of liquid |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2145940C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007046730A2 (en) | 2005-10-21 | 2007-04-26 | Vinogradov Vladimir Vikentievi | Water electrochemical processing device |
| US20080073288A1 (en) * | 2006-04-21 | 2008-03-27 | Qinbai Fan | Multifunctional filtration and water purification systems |
| WO2012010177A1 (en) | 2010-07-21 | 2012-01-26 | Vinogradov Vladimir Vikentievich | Device for electrochemically processing water or aqueous solutions |
| WO2016178604A3 (en) * | 2015-05-07 | 2017-01-12 | Владимир Викентиевич ВИНОГРАДОВ | Device for the electrochemical treatment of water or aqueous salt solutions |
| US9797050B2 (en) | 2015-02-27 | 2017-10-24 | Valeri Iltsenko | Energy-efficient diaphragm-electrolyser |
-
1998
- 1998-10-29 RU RU98119639A patent/RU2145940C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007046730A2 (en) | 2005-10-21 | 2007-04-26 | Vinogradov Vladimir Vikentievi | Water electrochemical processing device |
| WO2007046730A3 (en) * | 2005-10-21 | 2007-06-07 | Vladimir Vikentievi Vinogradov | Water electrochemical processing device |
| US20080073288A1 (en) * | 2006-04-21 | 2008-03-27 | Qinbai Fan | Multifunctional filtration and water purification systems |
| WO2012010177A1 (en) | 2010-07-21 | 2012-01-26 | Vinogradov Vladimir Vikentievich | Device for electrochemically processing water or aqueous solutions |
| US9797050B2 (en) | 2015-02-27 | 2017-10-24 | Valeri Iltsenko | Energy-efficient diaphragm-electrolyser |
| WO2016178604A3 (en) * | 2015-05-07 | 2017-01-12 | Владимир Викентиевич ВИНОГРАДОВ | Device for the electrochemical treatment of water or aqueous salt solutions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5635040A (en) | Electrochemical cell | |
| US7691249B2 (en) | Method and apparatus for making electrolyzed water | |
| US5783052A (en) | Electrochemical cell | |
| US5427667A (en) | Apparatus for electrochemical treatment of water | |
| EA005305B1 (en) | Electrolytic cell and method for electrolysis | |
| RU2297981C1 (en) | Device for the electrochemical treatment of the water and the water solutions | |
| 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 | |
| RU2516226C2 (en) | Electrochemical module cell for processing electrolyte solutions | |
| KR20190026597A (en) | Method and apparatus for producing highly concentrated slightly acidic electrolyzed water | |
| EA013774B1 (en) | Device for the electrochemical treatment of the water and the water solutions | |
| RU2145940C1 (en) | Flow-through electrochemical modular member for treatment of liquid | |
| RU2088693C1 (en) | Installation for preparing products of anode oxidation of alkali and alkali-earth metal chloride solution | |
| RU51613U1 (en) | DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF WATER OR AQUEOUS SOLUTIONS | |
| WO2012010177A1 (en) | Device for electrochemically processing water or aqueous solutions | |
| RU2605084C1 (en) | Electrolytic cell with fixed electrodes for electrochemical purification of waste water and obtaining several inorganic peroxide compounds | |
| RU2038323C1 (en) | Equipment for purification and disinfection of water | |
| KR20170044579A (en) | Microbial reverse electrodialysis electrolysis device | |
| RU2078737C1 (en) | Apparatus for electrochemical treatment of water | |
| RU2729184C1 (en) | Electrochemical reactor and apparatus for electrochemical synthesis of a mixture of oxidants | |
| RU2038322C1 (en) | Equipment for electrotechnical treatment of water | |
| RU2040477C1 (en) | Device for disinfection and purification of water | |
| KR100397883B1 (en) | Electrochemical cell | |
| RU2063932C1 (en) | Apparatus for electrochemical treatment of liquid | |
| CA2224941C (en) | Electrochemical cell | |
| RU2130786C1 (en) | Electrochemical device for processing liquid medium |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20061030 |