RU2270803C2 - Method of electrochemical treatment of the water-salt solutions - Google Patents

Method of electrochemical treatment of the water-salt solutions Download PDF

Info

Publication number
RU2270803C2
RU2270803C2 RU2003128393/15A RU2003128393A RU2270803C2 RU 2270803 C2 RU2270803 C2 RU 2270803C2 RU 2003128393/15 A RU2003128393/15 A RU 2003128393/15A RU 2003128393 A RU2003128393 A RU 2003128393A RU 2270803 C2 RU2270803 C2 RU 2270803C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solution
channel
electrodes
electrolyte
channels
Prior art date
Application number
RU2003128393/15A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003128393A (en
Inventor
ков Владимир Николаевич Серебр (RU)
Владимир Николаевич Серебряков
Эдуард Яковлевич Исмаилов (RU)
Эдуард Яковлевич Исмаилов
Original Assignee
Владимир Николаевич Серебряков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Николаевич Серебряков filed Critical Владимир Николаевич Серебряков
Priority to RU2003128393/15A priority Critical patent/RU2270803C2/en
Publication of RU2003128393A publication Critical patent/RU2003128393A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2270803C2 publication Critical patent/RU2270803C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

FIELD: treatment of water-salt solutions; methods of electrochemical treatment of water-salt solutions.
SUBSTANCE: the invention is pertaining to the method of the electrochemical treatment of water-salt solutions of the alkaline metals sodium chlorides for the purpose of production of the disinfectants and detergents, and also for regulation of the acid-base parameters of water. The total stream of the initial solution at the inlets into the cathode and anodic chambers is uniformly divided into the system of parallel streams. The streams are passing over the surfaces of the electrodes in the laminar flow mode through hydrodinamically separated channels formed by the surfaces of the diaphragm and the equidistant surfaces of the electrodes having a configuration of a plane wave. The treatment of the solution is conducted at the given density of the electrical current and the selected speed of the flow maintaining the ratio of the mode parameters and the geometrical parameters of the channels within the limits defined by the criterion of the hydrodynamic stability of the laminar flow of the solution to the disturbances from the concentration-gravitation convection and the condition of the bubble mode of evacuation of the electrolysis of gases in the channels. The technical result of the invention is an increased hydrodynamic stability of the processes of the electrochemical treatment of the laminar flows of the lightly compensated water-salt solutions in the large planar-slot electrode channels of the electrochemical components, an increase of intensity and power efficiency of the processes of the electrochemical treatment of solutions and increased productivity of the running electrochemical components.
EFFECT: the invention ensures an increased hydrodynamic stability of the processes of the electrochemical treatment of the lightly compensated water-salt solutions in the large planar-slot electrode channels of the electrochemical components; an increased intensity and power efficiency of the processes of the electrochemical treatment of solutions; an increased productivity of the running electrochemical components.
15 dwg

Description

Изобретение относится к области процессов прикладной электрохимии и, в частности, к способам электрохимической обработки водно-солевых растворов хлоридов щелочных металлов с целью получения дезинфицирующих (кислотных) и моющих (щелочных) растворов и веществ, а также регулирования кислотно-основных параметров воды [1], [5], [13].The invention relates to the field of processes of applied electrochemistry and, in particular, to methods of electrochemical treatment of water-salt solutions of alkali metal chlorides in order to obtain disinfectant (acid) and detergent (alkaline) solutions and substances, as well as the regulation of acid-base water parameters [1] , [5], [13].

Изобретение также может быть использовано в электрохимических установках для синтеза хлороксидных соединений активного хлора и газов - хлора и водорода.The invention can also be used in electrochemical plants for the synthesis of chloroxide compounds of active chlorine and gases - chlorine and hydrogen.

Существо известных способов [2], [3], [4] электрохимической обработки растворов в электролизном элементе (фиг.1) включает в себя пропускание исходного раствора 1 (обычно слабоконцентрированного - 0,5...5 г/л - раствора хлорида натрия NaCl) двумя параллельными потоками через плоские вертикальные каналы, образуемые соответственно между плоскими поверхностями гладкого катода 2 (катодная камера), гладкого анода 3 (анодная камера) и разделительной диафрагмы 4 (проницаемой для электролитного раствора и непроницаемой для газов). Перенос постоянного тока через прослойку электролита между катодом и анодом осуществляется в основном ионами хлора Cl- и натрия Na+ и частично ионами гидроксила OH- и гидроксония Н3O+ воды; при этом на выходе катодной камеры 5 получают в основном продукт взаимодействия ионов Na+ с водой на катоде: Na+2O+е→NaOH+½Н2, то есть раствор со щелочной реакцией, а на выходе анодной камеры 6 - раствор с соединениями активного хлора (в зависимости от режимов процесса и кислотности раствора - хлорноватистую кислоту HClO, оксиды Cl2O, ClO2 и т.п.), обладающий биоцидными дезинфицирующими свойствами, либо газообразный хлор и его соединения с кислородом [4].The essence of the known methods [2], [3], [4] of the electrochemical treatment of solutions in an electrolysis cell (FIG. 1) includes passing an initial solution 1 (usually weakly concentrated - 0.5 ... 5 g / l - sodium chloride solution NaCl) by two parallel flows through vertical planar channels formed respectively between the flat surfaces of smooth cathode 2 (cathode chamber), smooth anode 3 (anode chamber) and separation diaphragm 4 (permeable to electrolyte solution and impermeable to gases). Direct current transfer through the electrolyte layer between the cathode and the anode is carried out mainly by chlorine ions Cl - and sodium Na + and partially by hydroxyl ions OH - and hydroxonium Н 3 O + water; at the same time, at the exit of the cathode chamber 5, the product of the interaction of Na + ions with water at the cathode is mainly obtained: Na + + Н 2 O + е → NaOH + ½ Н 2 , i.e., a solution with an alkaline reaction, and at the exit of the anode chamber 6, compounds of active chlorine (depending on the process conditions and the acidity of the solution - hypochlorous acid HClO, oxides Cl 2 O, ClO 2 , etc.), which has biocidal disinfecting properties, or gaseous chlorine and its compounds with oxygen [4].

Плоскостная конструкция камер и электродов электролизных элементов в упомянутых способах является базисной основой создания промышленных многоэлементных электролизных батарей с биополярными электродами [5].The flat design of the chambers and electrodes of electrolysis cells in the above methods is the basic basis for the creation of industrial multi-cell electrolysis batteries with biopolar electrodes [5].

Однако недостатком существующих способов обработки растворов в плоскостных каналах, и в особенности в случае слабоконцентрированных растворов являются наблюдаемые неравномерности и неустойчивости в распределении скоростей течения электролитного раствора по ширине канала с образованием застойных зон, неравномерности распределения электрического тока по поверхности электродов с образованием зон "пятнистой" проводимости и локальных перегревов электролита, что в целом снижает эффективность процесса обработки раствора [1], [13].However, the drawback of existing methods of processing solutions in planar channels, and in particular in the case of weakly concentrated solutions, is the observed irregularities and instabilities in the distribution of the flow rate of the electrolyte solution along the channel width with the formation of stagnant zones, uneven distribution of electric current over the surface of the electrodes with the formation of zones of "spotted" conductivity and local overheating of the electrolyte, which generally reduces the efficiency of the solution processing process [1], [13].

Первоосновой подобных эффектов является появление градиента dc/dx концентраций 7 и плотности dρ/dx электролита по толщине δ канала при переносе заряда (тока) и веществ между электродами (катодом 2 и анодом 3) в силу ограниченных скоростей миграции (vM~10-2 см/с) и диффузии (vg~10-4 см/с) ионов веществ и как следствие возникновение гидродинамической неустойчивости и известного явления гравитационной конвекции в виде вихревых ячеек Релея-Бенара в канале [6], [7] (см. фиг.2, где 8, 9 - встречные движения вихря между катодом 2 и анодом 3).The main reason for such effects is the appearance of a gradient dc / dx of concentrations 7 and density dρ / dx of the electrolyte over the thickness δ of the channel during charge (current) and substance transfer between the electrodes (cathode 2 and anode 3) due to limited migration rates (v M ~ 10 -2 cm / s) and diffusion (v g ~ 10 -4 cm / s) of substance ions and, as a result, the occurrence of hydrodynamic instability and the known phenomenon of gravitational convection in the form of Rayleigh-Benard vortex cells in the channel [6], [7] (see Fig. .2, where 8, 9 are the oncoming motions of the vortex between the cathode 2 and the anode 3).

Условия возникновения гравитационной конвекции как в горизонтальных, так и в вертикальных каналах при различной плотности жидкости у стенок определяются при теплообмене [6], [7] критическим значением критерия Релея Ra=Gr·Pr; в рассматриваемом процессе массообмена диффузионным аналогом критерия Ra=Ar·PrD; эти условия возникают, когда критерий Релея достигает критического значения Ra*:The conditions for the occurrence of gravitational convection in both horizontal and vertical channels at different liquid densities near the walls are determined during heat exchange [6], [7] by the critical value of the Rayleigh criterion Ra = Gr · Pr; in the process of mass transfer under consideration by the diffusion analogue of the criterion Ra = Ar · Pr D ; these conditions arise when the Rayleigh criterion reaches a critical value of Ra * :

Figure 00000002
Figure 00000002

Здесь: Gr - тепловой критерий Грасгофа; Ar - критерий Архимеда; PrD - диффузионный аналог числа Прандтля жидкости, ν - коэффициент кинематической вязкости жидкости (раствора электролита), D - коэффициент диффузии электролита, Δρ - разность плотностей электролита у стенок канала, ρо - средняя плотность электролита, g=981 см/с2), Ra* - критическое значение критерия Релея, зависящее от геометрии канала, краевых условий, а также гидродинамической обстановки в канале.Here: Gr - Grashof thermal criterion; Ar - Archimedes criterion; Pr D is the diffusion analog of the Prandtl number of the liquid, ν is the kinematic viscosity coefficient of the liquid (electrolyte solution), D is the electrolyte diffusion coefficient, Δρ is the difference in electrolyte densities at the channel walls, ρ о is the average electrolyte density, g = 981 cm / s 2 ) , Ra * is the critical value of the Rayleigh criterion, depending on the geometry of the channel, boundary conditions, as well as the hydrodynamic situation in the channel.

Общая структура конвекции может представлять собой волновую систему параллельных парных вихревых валов 10 (фиг.3) с относительной шириной вихревой ячейки λ=I/δ, которая возрастает с увеличением критерия Релея Ra, при Ra>2·104 устанавливается режим более крупномасштабных тороидальных шестигранных вихревых ячеек 11; при этом продольное вынужденное течение раствора вдоль канала оказывает стабилизирующее влияние, увеличивая величину критического значения критерия Релея [7].The general structure of convection can be a wave system of parallel paired vortex shafts 10 (Fig. 3) with a relative width of the vortex cell λ = I / δ, which increases with an increase in the Rayleigh criterion Ra, for Ra> 2 · 10 4 a larger-scale toroidal hexagonal mode is established vortex cells 11; the longitudinal forced flow of the solution along the channel exerts a stabilizing effect, increasing the critical value of the Rayleigh criterion [7].

В плоскощелевом вертикальном канале минимальное критическое значение критерия Релея Ra*o, при котором возможно возникновение конвекции в исходно неподвижной жидкости, может составлять в зависимости от типа граничных условий на стенках канала [7] (стр.82):In a plane-slot vertical channel, the minimum critical value of the Rayleigh criterion Ra * o , at which convection can occur in the initially stationary liquid, can be depending on the type of boundary conditions on the channel walls [7] (p. 82):

Figure 00000003
Figure 00000003

Отрицательное влияние вихревой конвекции на равномерность переноса электрического тока в прослойке электролита очевидно из фиг.2, в частности:The negative effect of vortex convection on the uniformity of electric current transfer in the electrolyte layer is evident from figure 2, in particular:

- на участке 8 вихря конвекция ускоряет миграционное движение основного переносчика тока в электролите - аниона Cl-,- in section 8 of the vortex, convection accelerates the migration movement of the main current carrier in the electrolyte - anion Cl - ,

- на участке 9 - препятствует миграции аниона Cl-.- in section 9 - prevents migration of the Cl - anion.

Это вызывает соответствующую неравномерность распределения плотности тока по поверхности электрода и объему электролита, локальные перегревы, дополнительные термоконвекционные возмущения в электролите и в целом снижают эффективность процесса электрохимической обработки раствора [8], [9], [13].This causes a corresponding non-uniformity in the distribution of current density over the electrode surface and the volume of the electrolyte, local overheating, additional thermal convection perturbations in the electrolyte and generally reduce the efficiency of the process of electrochemical treatment of the solution [8], [9], [13].

При этом в силу достаточно низких скоростей переноса реагирующих веществ в электролите процессами миграции jм=v·c и диффузии jВ=D·Δс/δ, уже небольшие скорости w конвекции (jк=w·c) оказывают существенное влияние на общий процесс переноса, соответственно: w=v=10-2 см/с и w=D/δ=10-5 см2/с/10-1 см=10-4 см/с.Moreover, due to the sufficiently low transfer rates of the reacting substances in the electrolyte by the migration processes j m = v · c and diffusion j B = D · Δс / δ, even small convection speeds w (j k = w · c) have a significant effect on the overall process transfer, respectively: w = v = 10 -2 cm / s and w = D / δ = 10 -5 cm 2 / s / 10 -1 cm = 10 -4 cm / s.

2. Известны способы электрохимической обработки водно-солевых растворов [8], в которых с целью устранения указанных недостатков осуществления процесса в плоскостных каналах обработку раствора проводят пропусканием его в каналах кольцевого сечения в устройствах [9], [10], имеющих цилиндрический катод 2, коаксиальный цилиндрический анод 3 и цилиндрическую разделительную диафрагму 4 (фиг.4).2. Known methods for the electrochemical treatment of water-salt solutions [8], in which to eliminate the indicated disadvantages of the process in planar channels, the solution is processed by passing it in the channels of the circular section in devices [9], [10] having a cylindrical cathode 2, a coaxial cylindrical anode 3 and a cylindrical separation diaphragm 4 (figure 4).

Указанные элементы в совокупности образуют кольцевые каналы - анодный 12 и катодный 13, через которые пропускают потоки обрабатываемого раствора 1.These elements together form annular channels — the anode 12 and the cathode 13, through which flows of the treated solution 1 are passed.

Известный эффект стабилизирующего влияния кривизны стенок канала [7, стр.92] позволяет повысить критическое значение числа Релея в кольцевом канале Ra*(к) относительно Ra*(пл) плоского канала той же высоты δ пропорционально квадрату относительной кривизны стенки:The well-known stabilizing effect of the curvature of the channel walls [7, p. 92] makes it possible to increase the critical value of the Rayleigh number in the annular channel Ra * (k) relative to Ra * (pl) of a flat channel of the same height δ in proportion to the square of the relative curvature of the wall:

Figure 00000004
Figure 00000004

где rн, rв - наружный и внутренний радиусы каждого канала (фиг.5);where r n , r in - the outer and inner radii of each channel (figure 5);

δ - высота канала, ограничиваемая обычно условием минимизации омических потерь: δ≈0,1...0,15 см;δ is the channel height, usually limited by the condition of minimizing ohmic losses: δ≈0.1 ... 0.15 cm;

kR - константа.k R is a constant.

При выборе достаточно малых значений радиуса rв, сопоставимых с малой величиной δ, кривизна цилиндрических стенок кольцевых каналов оказывает стесняющее и в силу вязкого трения на стенках тормозящее влияние на развитие вихревых течений в канале, способствуя тем самым повышению минимального значения критического числа Релея по сравнению с формулой (2).When choosing sufficiently small values of radius r in , comparable with a small value of δ, the curvature of the cylindrical walls of the annular channels has a constraining and, due to viscous friction on the walls, inhibit the development of vortex flows in the channel, thereby contributing to an increase in the minimum value of the critical Rayleigh number in comparison with formula (2).

Однако существенными недостатками известного способа [9] и реализующих его устройств [10] являются:However, significant disadvantages of the known method [9] and the devices implementing it [10] are:

- принципиальная ограниченность размера диаметров электродов и, следовательно, рабочей поверхности единичного электролизного элемента условием типа (3), поскольку с увеличением диаметра устойчивость по Релею гиперболически снижается,- the fundamental limitation of the size of the diameters of the electrodes and, consequently, the working surface of a single electrolysis cell by a condition of type (3), since with increasing diameter the Rayleigh resistance decreases hyperbolically,

- принципиальная невозможность использования способа с цилиндрическими элементами в современных фильтр-прессных конструкциях многоэлементных электрохимических батарей промышленного типа, базирующихся на плоских биполярных электродах,- the fundamental impossibility of using the method with cylindrical elements in modern filter press structures of industrial multi-cell electrochemical batteries based on flat bipolar electrodes,

- способ не содержит существенных признаков, определяющих условия осуществления процесса, необходимые для подавления вихревой конвекции в функциональной связи с основными режимными параметрами процесса - плотностью электрического тока, удельным расходом обрабатываемого раствора и его физико-химическими параметрами, определяющими исходную причину конвекции - разность плотностей в растворе Δρ.- the method does not contain essential features that determine the process conditions necessary to suppress vortex convection in functional connection with the main process parameters - electric current density, specific flow rate of the treated solution and its physicochemical parameters that determine the initial cause of convection - the density difference in the solution Δρ.

Обоснование функциональной связи между разностью плотностей Δρ и режимными параметрами i, w, необходимой для определения путей устранения рассмотренных недостатков прототипа [9], [10], дано в п.3 на основе анализа процессов переноса электрического тока, массообмена и гидродинамики при обработке водно-солевого раствора в электродном канале.The rationale for the functional relationship between the density difference Δρ and the operating parameters i, w, necessary to determine ways to eliminate the considered disadvantages of the prototype [9], [10], is given in clause 3 based on an analysis of the processes of electric current transfer, mass transfer, and hydrodynamics during water saline in the electrode channel.

3. Поле концентраций в стационарном режиме переноса тока плотностью i, а/см2 через прослойку неподвижного электролита - раствора NaCl - толщиной 2δ (4а) определится системой уравнений переноса заряда и вещества [11]:3. The concentration field in the stationary mode of current transfer with a density of i, a / cm 2 through a layer of a stationary electrolyte - NaCl solution - with a thickness of 2δ (4a) is determined by the system of equations of charge and substance transfer [11]:

- для тока анионов Cl- - (индекс «а») с учетом диффузии и миграции- for the current of anions Cl - - (index “a”) taking into account diffusion and migration

Figure 00000005
Figure 00000005

- для тока катионов Na+ (индекс «к»)- for the current of cations Na + (index "k")

Figure 00000006
Figure 00000006

- для суммарного тока- for total current

Figure 00000007
Figure 00000007

- уравнение баланса массы по Na в электролите с учетом противоположных направлений миграции Na+ и диффузии разряженного в прикатодном слое воды иона Na в составе молекулы NaOH:- the equation of mass balance for Na in the electrolyte, taking into account the opposite directions of Na + migration and diffusion of the Na ion discharged in the cathode layer of water in the composition of the NaOH molecule:

Figure 00000008
Figure 00000008

- а также условием электронейтральности для данного бинарного электролита NaCl с концентрацией с:- as well as the condition of electroneutrality for this binary NaCl electrolyte with a concentration of:

Figure 00000009
Figure 00000009

- уравнением Нернста-Эйнштейна для связи подвижности u и коэффициента диффузии ионов D:- the Nernst-Einstein equation for the relationship between the mobility u and the diffusion coefficient of ions D:

Figure 00000010
Figure 00000010

- граничным условием, задаваемым в одном из вариантов:- the boundary condition specified in one of the options:

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

где сA, Ск, Со - концентрация электролита соответственно у поверхности анода, катода и средняя по объему, концентрация электролита (фиг.6).where c A, C to C of - electrolyte concentration, respectively, at the surface of the anode, cathode and average by volume, the electrolyte concentration (Figure 6).

Решение системы уравнений (4)...(7) дает линейное распределение концентраций по высоте каналов в неподвижном электролите и величину разности концентраций у стенок канала высотой δ (фиг.6):The solution of the system of equations (4) ... (7) gives a linear distribution of concentrations along the height of the channels in a stationary electrolyte and the value of the difference in concentrations at the channel walls with a height of δ (Fig.6):

Figure 00000014
Figure 00000014

Здесь: Di - коэффициент диффузии;Here: D i - diffusion coefficient;

i - компонента в растворе, см2/с;i - component in solution, cm 2 / s;

ui - подвижность i - иона, см2/с·В; uii/F;u i - mobility of i - ion, cm 2 / s · V; u i = λ i / F;

λi - мольная ионная электропроводность, см2/Ом·моль;λ i - molar ionic conductivity, cm 2 / Ohm · mol;

F - 96,5·103 Кл/моль - число Фарадея;F - 96.5 · 10 3 C / mol - the Faraday number;

φ - потенциал, В;φ is the potential, V;

z=1 - заряд ионов электролита NaCl;z = 1 is the charge of NaCl electrolyte ions;

R=1,98 кал/моль·°С - универсальная газовая постоянная;R = 1.98 cal / mol · ° C - universal gas constant;

Т - абсолютная температура, К;T is the absolute temperature, K;

λ=λак - мольная электропроводность электролита, см2/Ом·моль;λ = λ a + λ k - molar conductivity of the electrolyte, cm 2 / Ohm · mol;

ta - число переноса аниона, t=λa/λ.t a is the anion transfer number, t = λ a / λ.

Для случая принудительного пропускания в каналах электролитного раствора с принятыми в подобных устройствах [1] порядками скоростей w~10 см/с и высоты каналов δ~10-1 см гидродинамическая и массообменная обстановка в каналах электролизной ячейки характеризуется достаточно низкими значениями критерия Рейнольдса Re=w·2δ/ν=10·10-1/10-2=100 и высокими значениями числа Прандтля Pr=ν/D=10-2/10-5=103 (здесь ν=0,8·10-2 см2/с - коэффициент кинематической вязкости слабого водного раствора NaCl; D-(1...2)·10-5 см2/с - коэффициент диффузии электролита).For the case of forced transmission of electrolyte solution in the channels with the velocity orders w ~ 10 cm / s and channel heights δ ~ 10 -1 cm adopted in similar devices [1], the hydrodynamic and mass transfer conditions in the channels of the electrolysis cell are characterized by rather low Reynolds criterion Re = w · 2δ / ν = 10 · 10 -1 / 10 -2 = 100 and high values of the Prandtl number Pr = ν / D = 10 -2 / 10 -5 = 10 3 (here ν = 0.8 · 10 -2 cm 2 / s is the kinematic viscosity coefficient of a weak aqueous solution of NaCl; D- (1 ... 2) · 10 -5 cm 2 / s is the diffusion coefficient of the electrolyte).

Это означает, что уже в начальном участке канала L/2δ=0,08 Re=0,08·102=8 (т.е. L=1,6 см) устанавливается гидродинамически стабилизированный ламинарный режим течения, в то время как толщина диффузионного пограничного слоя δD на поверхностях электродов остается значительно меньшей высоты канала δ вплоть до относительной длины каналов L/2δ=0,014Re·Pr=0,014·l02·103=1400 в силу низких значений коэффициента диффузии электролита по сравнению с кинематической вязкостью [12].This means that already in the initial section of the channel L / 2δ = 0.08 Re = 0.08 · 10 2 = 8 (i.e., L = 1.6 cm), a hydrodynamically stabilized laminar flow regime is established, while the thickness the diffusion boundary layer δ D on the surfaces of the electrodes remains much smaller than the channel height δ up to the relative channel length L / 2δ = 0.014Re · Pr = 0.014 · l0 2 · 10 3 = 1400 due to the low values of the diffusion coefficient of the electrolyte compared to the kinematic viscosity [ 12].

В этом режиме по всей длине L (в частности, катодного канала - см. фиг.7) значительную часть высоты канала занимает ламинарный поток электролита 13 с неизменной по высоте канала δ концентрацией электролита cо и часть 14 диффузионный пограничный слой толщиной δD<δ (4 - диафрагма, 2 - электрод); при этом интенсивность диффузионного массопереноса ионов i в растворе электролита определяется коэффициентом массообмена βi, определяющимся через диффузионный аналог критерия Нуссельта NuDi·δэ·Di-1.In this mode, over the entire length L (in particular, of the cathode channel — see FIG. 7), a significant part of the channel height is occupied by the laminar flow of electrolyte 13 with a constant electrolyte concentration c о along the channel height δ and part 14 diffusion boundary layer of thickness δ D <δ (4 - diaphragm, 2 - electrode); the intensity of the diffusion mass transfer of ions i in the electrolyte solution is determined by the mass transfer coefficient β i , determined through the diffusion analogue of the Nusselt criterion Nu D = β i · δ e · D i -1 .

Среднее по длине L плоского канала значение

Figure 00000015
определяется критериями Рейнольдса и Прандтля [12]:The average length L of the flat channel
Figure 00000015
determined by the Reynolds and Prandtl criteria [12]:

Figure 00000016
Figure 00000016

где А=1,85where A = 1.85

δэ - гидродинамический эквивалентный линейный размер канала; для плоского канала δэ=2δ; для замкнутого профиля канала δэ=4S/p; S - площадь сечения, р - периметр;δ e - hydrodynamic equivalent linear channel size; for a flat channel δ e = 2δ; for a closed channel profile δ e = 4S / p; S is the cross-sectional area, p is the perimeter;

w -средняя по сечению канала скорость потока.w is the average flow rate over the channel cross section.

Уравнения (1), (4) системы (1)...(7) в случае подвижного электролита записываются для граничных поверхностей (электродов) канала:Equations (1), (4) of system (1) ... (7) in the case of a mobile electrolyte are written for the boundary surfaces (electrodes) of the channel:

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

где по определению:where by definition:

Figure 00000019
Figure 00000019

сэ - концентрация у стенки электрода.with e - concentration at the wall of the electrode.

Решение системы (10а)...(10в) дает разность концентраций электролита на граничной поверхности канала и в объеме потока:The solution of system (10a) ... (10c) gives the difference in electrolyte concentrations on the boundary surface of the channel and in the volume of the stream:

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

Для слабых водных растворов солей щелочных металлов (NaCl) до ~1 моля/л связь между концентрацией и плотностью практически линейнаFor weak aqueous solutions of alkali metal salts (NaCl) up to ~ 1 mol / L, the relationship between concentration and density is almost linear

Figure 00000022
Figure 00000022

4. С целью устранения указанных в п.2 недостатков известного способа предлагается:4. In order to eliminate the disadvantages of clause 2 of the known method, it is proposed:

Способ электрохимической обработки водно-солевых растворов для получения дезинфицирующих и моющих веществ и регулирования кислотно-основного состояния растворов, включающий в себя пропускание растворов электролита раздельными потоками через камеры между поверхностями соответственно катода и анода электролизного элемента и поверхностью разделяющей их диафрагмы, проницаемой для электролита, отличающийся тем, что общий поток исходного раствора на входе в катодную и анодную камеры равномерно разделяют на систему параллельных потоков; потоки пропускают над поверхностями электродов в ламинарном режиме течения при скорости w по системе параллельных, гидродинамически разобщенных каналов, которые образуют в камерах поверхностью разделительной диафрагмы и эквидистантными поверхностями катода и анода, имеющими конфигурацию плоской волны с параметрами длины λ, амплитуды h и радиусами кривизны поверхности r; обработку ведут при плотности тока i, выдерживая соотношение параметров в пределах, определяемых по критерию гидродинамической устойчивости ламинарного течения раствора к возмущениям от концентрационно-гравитационной конвекции и по условию пузырькового режима эвакуации электролизных газов:The method of electrochemical treatment of water-salt solutions to obtain disinfectants and detergents and control the acid-base state of solutions, which includes passing electrolyte solutions in separate streams through the chambers between the surfaces of the cathode and anode of the electrolysis cell, respectively, and the surface of the diaphragm separating them, permeable to electrolyte, characterized the fact that the total flow of the initial solution at the entrance to the cathode and anode chambers is evenly divided into a system of parallel flows ; flows are passed over the surfaces of the electrodes in a laminar flow regime at a velocity w through a system of parallel, hydrodynamically separated channels that form in the chambers the surface of the separation diaphragm and the equidistant surfaces of the cathode and anode having a plane wave configuration with parameters of length λ, amplitude h and surface curvature radii r ; processing is carried out at current density i, maintaining the ratio of parameters within the limits determined by the criterion of hydrodynamic stability of the laminar flow of the solution to disturbances from concentration-gravity convection and by the condition of the bubble regime of evacuation of electrolysis gases:

K1+K2·0,0208Θ(σ/ρo)1/2≡δэminээmax≡Ko·Rao*·w1,75/(i0,75L0,25)K 1 + K 2 · 0,0208Θ (σ / ρ o) 1/2 ≡δ emineemax ≡K o · Ra o * · w 1,75 / (i 0,75 L 0,25)

и условия эквидистантности поверхностей электродов:and conditions for the equidistance of electrode surfaces:

rmax-rmin≡b=(h+δм)·[1+(2h/λ2)-(1/2)]r max -r min ≡b = (h + δ m ) · [1+ (2h / λ 2 ) - (1/2) ]

0<rmin<(1/2)·[λ(1+λ2/4h2)-1/2-b]0 <r min <(1/2) · [λ (1 + λ 2 / 4h 2 ) -1/2 -b]

где δэ=2h[1+(1+4h22)1/2]-1 - эквивалентный гидродинамический диаметр канала;where δ e = 2h [1+ (1 + 4h 2 / λ 2 ) 1/2 ] -1 is the equivalent hydrodynamic diameter of the channel;

rmax, rmin - максимальный и минимальный радиусы кривизны профиля поверхности электродов;r max , r min - the maximum and minimum radii of curvature of the surface profile of the electrodes;

b - расстояние по нормали между эквидистантными поверхностями анода и катода в каналах;b is the normal distance between the equidistant surfaces of the anode and cathode in the channels;

L - длина канала по потоку;L is the channel length downstream;

δм - толщина диафрагмы;δ m - the thickness of the diaphragm;

Rao*4[1+4(2h/λ)2]2 - минимальное критическое значение диффузионного аналога критерия Релея в канале с неподвижной жидкостью;Ra o * = π 4 [1 + 4 (2h / λ) 2 ] 2 - the minimum critical value of the diffusion analogue of the Rayleigh criterion in a channel with a stationary fluid;

Кo=[(4,5·10-3·ρo·R·T·(1+ta)·λэл·D2/3)·(g·F·ν·M)-1]0,75 - константа физико-химических параметров раствора;To o = [(4,5 · 10 -3 · ρ o · R · T · (1 + t a ) · λ el · D 2/3 ) · (g · F · ν · M) -1 ] 0, 75 - the constant of the physico-chemical parameters of the solution;

K1=rmax[1-(1+4h22)1,2]·[1+(1+4h22)-1/2]-l K 1 = r max [1- (1 + 4h 2 / λ 2 ) 1,2 ] · [1+ (1 + 4h 2 / λ 2 ) -1/2 ] -l

K2=[1+(1+4h22)l/2]-l K 2 = [1+ (1 + 4h 2 / λ 2 ) l / 2 ] -l

ρo - плотность раствора, г/см3;ρ o the density of the solution, g / cm 3 ;

R - универсальная постоянная;R is the universal constant;

Т - температура;T is the temperature;

ta - число переноса аниона в электролите;t a is the anion transfer number in the electrolyte;

λэл - мольная эквивалентная электропроводность раствора, см2/Ом·моль;λ e - mole equivalent conductivity solution cm2 / Ohm · mol;

D - коэффициент диффузии раствора соли в электролите, см2/с;D is the diffusion coefficient of the salt solution in the electrolyte, cm 2 / s;

g - ускорение свободного падения, см/с2;g is the acceleration of gravity, cm / s 2 ;

F - число Фарадея, А·ч/моль;F is the Faraday number, A · h / mol;

ν - коэффициент кинематической вязкости, см2/с;ν is the kinematic viscosity coefficient, cm 2 / s;

М - молекулярная масса соли раствора, г/моль;M is the molecular weight of the salt of the solution, g / mol;

δ - поверхностное натяжение раствора, дин/см;δ is the surface tension of the solution, dyne / cm;

Θ - угол смачивания поверхности электродов раствором,Θ is the contact angle of the electrode surface with the solution,

что эквивалентно условию:which is equivalent to the condition:

К12+do)=δэminээmax=Ko·(Ra*o/i)0,75·w1,75L-0.25 K 1 (K 2 + d o ) = δ emineemax = K o (Ra * o / i) 0.75 w 1.75 L -0.25

и условию эквидистантности поверхностей электродов:and the condition of equidistant electrode surfaces:

b=rmax-rmin=doм+rmin(1/sinα-1)=(h+δм)sinαb = r max -r min = d o + δ m + r min (1 / sinα-1) = (h + δ m ) sinα

0<rmin<r*min=[doм(1/sinα-1)]·sin2α/(1+cosα-sinα)0 <r min <r * min = [d o + δ m (1 / sinα-1)] · sin 2 α / (1 + cosα-sinα)

где K1=2/(1/sinα+1);where K 1 = 2 / (1 / sinα + 1);

K2=rmax/(1/sinα-1);K 2 = r max / (1 / sinα-1);

α=arctg(λ/2h);α = arctan (λ / 2h);

do - высота образованного канала; do≥dотр;d o - the height of the formed channel; d o ≥d Neg;

dотр=0,0208Θ(σ/ρо)1/2 - максимальный отрывной диаметр газового пузырька;d otr = 0,0208Θ (σ / ρ о ) 1/2 - the maximum detachable diameter of the gas bubble;

σ - поверхностное натяжение раствора, дин/см;σ is the surface tension of the solution, dyne / cm;

Θ - угол смачивания поверхности электродов раствором;Θ is the contact angle of the electrode surface with the solution;

ρо - плотность раствора, г/см3;ρ about the density of the solution, g / cm 3 ;

δэ=2h·[1+1/sinα]-1 - эквивалентный гидродинамический диаметр канала;δ e = 2h · [1 + 1 / sinα] -1 is the equivalent hydrodynamic diameter of the channel;

δэmin - минимально допустимое значение δэ по условию пузырькового режима эвакуации газов; δэmax - максимально допустимое значение δэ по условию гидродинамической устойчивости потока в канале при воздействии электрического тока;δ emin is the minimum acceptable value of δ e according to the condition of the bubble regime of gas evacuation; δ emax - the maximum allowable value of δ e according to the condition of hydrodynamic stability of the flow in the channel when exposed to electric current;

Ra*o4[1+4(2h/λ)2]2 - минимальное критическое значение диффузионного аналога критерия Релея в канале с неподвижной жидкостью;Ra * o = π 4 [1 + 4 (2h / λ) 2 ] 2 - the minimum critical value of the diffusion analogue of the Rayleigh criterion in a channel with a stationary fluid;

Кo=[(3,7·10-2·ρo·R·T·(1+ta)·λэл·D2/3)·(g·F·ν·M)-1]0,75 - константа физико-химических параметров раствора;To o = [(3,7 · 10 -2 · ρ o · R · T · (1 + t a ) · λ el · D 2/3 ) · (g · F · ν · M) -1 ] 0, 75 - the constant of the physico-chemical parameters of the solution;

rmax, rmin - максимальный и минимальный радиусы кривизны профиля поверхности электродов;r max , r min - the maximum and minimum radii of curvature of the surface profile of the electrodes;

L - длина канала по потоку;L is the channel length downstream;

b - расстояние по нормали между эквидистантными поверхностями анода и катода в каналах:b is the normal distance between the equidistant surfaces of the anode and cathode in the channels:

δм - толщина диафрагмы:δ m - the thickness of the diaphragm:

R - универсальная постоянная;R is the universal constant;

Т - температура:T - temperature:

tа - число переноса аниона в электролите:t a is the transfer number of the anion in the electrolyte:

λэл - мольная эквивалентная электропроводность раствора, см2/Ом·моль;λ e - mole equivalent conductivity solution cm2 / Ohm · mol;

D - коэффициент диффузии раствора соли в электролите, см2/с;D is the diffusion coefficient of the salt solution in the electrolyte, cm 2 / s;

g - ускорение свободного падения, см/с2;g is the acceleration of gravity, cm / s 2 ;

F - число Фарадея, А·ч/моль;F is the Faraday number, A · h / mol;

ν - коэффициент кинематической вязкости, см2/с;ν is the kinematic viscosity coefficient, cm 2 / s;

М - молекулярная масса соли раствора, г/моль;M is the molecular weight of the salt of the solution, g / mol;

5. Существенные особенности способа и достигаемые эффекты5. The essential features of the method and the achieved effects

5.1. Целью предлагаемого способа является повышение гидродинамической устойчивости ламинарных течений растворов в процессах электрохимической обработки к возмущениям от гравитационной конвекции, устранение принципиальных ограничений величины рабочей поверхности электродов и производительности, присущих прототипу, повышение интенсивности и энергоэффективности процесса обработки раствора в камерах электролизера.5.1. The aim of the proposed method is to increase the hydrodynamic stability of laminar flows of solutions in the processes of electrochemical processing to disturbances from gravitational convection, to eliminate the fundamental limitations of the magnitude of the working surface of the electrodes and productivity inherent in the prototype, to increase the intensity and energy efficiency of the process of processing the solution in the cells of the electrolyzer.

С этой целью в предлагаемом способе в отличие от прототипа и известных аналогов общий поток раствора на входе в катодную и анодную камеры равномерно разделяют на систему параллельных потоков (фиг.9).To this end, in the proposed method, in contrast to the prototype and known analogues, the total flow of the solution at the entrance to the cathode and anode chambers is evenly divided into a system of parallel flows (Fig. 9).

Потоки пропускают для обработки по системе параллельных, гидродинамически разобщенных каналов в ламинарном (безвихревом) режиме течения, при этом скорость течения, плотность тока электролиза и параметры геометрической конфигурации канала устанавливают таким образом, чтобы возникающий по толщине канала градиент концентраций раствора Δρ (см. (11), (12) и фиг.7) не вызывал вихревых нарушений плоскопараллельного ламинарного течения раствора, т.е. чтобы выполнялось условие гидродинамической устойчивости потока к возмущениям от гравитационной конвекции (1):Streams are passed for processing through a system of parallel, hydrodynamically separated channels in a laminar (vortex-free) flow regime, while the flow velocity, electrolysis current density, and channel geometric configuration parameters are set so that the solution concentration gradient Δρ arising over the channel thickness (see (11) ), (12) and Fig. 7) did not cause vortex disturbances of the plane-parallel laminar flow of the solution, i.e. so that the condition of hydrodynamic stability of the flow to perturbations from gravitational convection (1) is satisfied:

Figure 00000023
Figure 00000023

где Ra* - критическое число Релея в ламинарном потоке раствора в канале.where Ra * is the critical Rayleigh number in the laminar flow of the solution in the channel.

Критическое число Релея Ra*, при котором возмущения от гравитационной конвекции начинают нарушать плоскопараллельное ламинарное течение жидкости в канале, аппроксимируется выражением [7] (стр.272):The critical Rayleigh number Ra * , at which perturbations from gravitational convection begin to disrupt the plane-parallel laminar fluid flow in the channel, is approximated by the expression [7] (p. 272):

Figure 00000024
Figure 00000024

где Ra*o - критическое число Релея в канале при отсутствии принудительного движения жидкости, определяемое при прочих равных условиях геометрией канала;where Ra * o is the critical Rayleigh number in the channel in the absence of forced fluid motion, determined, other things being equal, by the geometry of the channel;

Re - число Рейнольдса в канале;Re is the Reynolds number in the channel;

w - средняя по сечению скорость в канале;w is the average cross-sectional velocity in the channel;

В-=2,5·10-3·α·2· - константа;B- = 2.5 · 10 -3 · α · 2 · is a constant;

α-wmax/w - отношение максимальной и средней по сечению скорости потока в канале (для замкнутого сечения α=2; для щелевого канала α=1,5 [12]).α-w max / w is the ratio of the maximum and average cross-sectional flow rates in the channel (for a closed section α = 2; for a slotted channel α = 1.5 [12]).

δэ - эквивалентный диаметр канала;δ e is the equivalent diameter of the channel;

ν - кинематическая вязкость раствора.ν is the kinematic viscosity of the solution.

Отсюда, подставляя в условие (15) выражения для Ra (14), для Ra* (16) и разрешая его относительно величины δэ, получаем условие устойчивости ламинарного течения раствора в канале, выраженное через максимально допустимую величину характерного линейного размера канала δ в функции режимных параметров процесса электрохимической обработки раствора - плотности тока i электролиза, скорости течения w раствора и его физико-химических параметров:Hence, substituting into condition (15) the expressions for Ra (14), for Ra * (16) and resolving it with respect to δ e , we obtain the stability condition for the laminar flow of the solution in the channel, expressed in terms of the maximum allowable value of the characteristic linear channel size δ in the function operating parameters of the process of electrochemical processing of the solution - current density i of electrolysis, flow rate w of the solution and its physico-chemical parameters:

Figure 00000025
Figure 00000025

где L - длина каналов;where L is the length of the channels;

Ко=[3,7·10-3·ρo·R·T·(1+tа)·λэл·D2/3·(g·F·ν·M)-1]0,75 - константа физико-химических параметров раствора.To about = [3,7 · 10 -3 · ρ o · R · T · (1 + t a ) · λ el · D 2/3 · (g · F · ν · M) -1 ] 0,75 - constant of physico-chemical parameters of the solution.

Распределение потоков и обеспечение требующихся режимных условий реализуют с помощью системы каналов, которые в способе образуют поверхностями плоской разделительной диафрагмы и эквидистантно выполненными поверхностями катода и анода, имеющими конфигурацию плоской волны с длиной волны λ, параметром амплитуды h и радиусами кривизны, отвечающими условиям обеспечения эквидистантности (фиг.10):The distribution of flows and the provision of the required operating conditions are realized using a system of channels, which in the method are formed by surfaces of a flat separation diaphragm and equidistant surfaces of the cathode and anode having a plane wave configuration with a wavelength λ, amplitude parameter h and curvature radii that meet the conditions for ensuring equidistance ( figure 10):

- на цилиндрических участках поверхностей электродов с:- on cylindrical sections of the surfaces of the electrodes with:

Figure 00000026
Figure 00000026

- на плоскопараллельных участках поверхностей электродов а:- on plane-parallel sections of the surfaces of the electrodes a:

Figure 00000027
Figure 00000027

- в точках сопряжения участков а и с:- at the interface points of sections a and c:

Figure 00000028
Figure 00000028

где b - расстояние по нормали между эквидистантными поверхностями электродов;where b is the normal distance between the equidistant surfaces of the electrodes;

rmax, rmin - максимальный и минимальный радиусы кривизны поверхности электродов в каналах;r max , r min - the maximum and minimum radii of curvature of the surface of the electrodes in the channels;

δM - толщина диафрагмы;δ M is the thickness of the diaphragm;

do - высота канала, образованного между поверхностью электрода и диафрагмой;d o - the height of the channel formed between the surface of the electrode and the diaphragm;

h - параметр амплитуды образующей волны;h is the amplitude parameter of the generating wave;

λ - длина образующей волны, совпадающая с шириной канала;λ is the wavelength of the wave, which coincides with the width of the channel;

ψ=λ/2h=tgα - параметр волны, численно равный тангенсу угла α раскрытия профиля образованного канала (см. фиг.10);ψ = λ / 2h = tgα is the wave parameter numerically equal to the tangent of the angle α of the disclosure of the profile of the formed channel (see Fig. 10);

r*min - предельное верхнее значение минимального радиуса кривизны по условиям гладкости сопрягаемых участков поверхностей электрода, выраженное через первичные величины do и δМ, значение r*min в (20) составляет:r * min is the upper limit value of the minimum radius of curvature according to the smoothness conditions of the mating portions of the electrode surfaces, expressed in terms of the primary values d o and δ M , the r * min value in (20) is:

Figure 00000029
Figure 00000029

Условия (18)...(21) являются условиями эквидистантности данных волновых поверхностей, необходимыми для сохранения постоянного омического сопротивления прослойки электролита и постоянной плотности тока по всей поверхности электродов.Conditions (18) ... (21) are the equidistance conditions for these wave surfaces necessary to maintain a constant ohmic resistance of the electrolyte layer and a constant current density over the entire surface of the electrodes.

При этом из фиг.10 и (20), (21) следует, что при rmin→r*min поверхности электродов полностью переходят в систему цилиндрических участков, а межэлектродный канал - в систему щелевых цилиндрических каналов одинаковой кривизны, развернутую по всей ширине плоскостных электродов вне зависимости от их габаритов.Moreover, it follows from Figs. 10 and (20), (21) that, as r min → r * min, the electrode surfaces completely pass into the system of cylindrical sections, and the interelectrode channel into the system of slotted cylindrical channels of the same curvature, expanded across the entire width of the planar electrodes, regardless of their size.

Принципиально новой особенностью проведения процесса в данной системе поверхностей, образующих между собой чередующиеся участки ограниченных плоскощелевых а и цилиндрических кольцевых с каналов, является возможность существенного повышения гидродинамической устойчивости процесса вне зависимости от общих габаритов электродов и электролизного элемента.A fundamentally new feature of the process in this system of surfaces forming alternating sections of limited flat-gap a and cylindrical annular channels from each other is the possibility of a significant increase in the hydrodynamic stability of the process, regardless of the overall dimensions of the electrodes and the electrolysis cell.

Эквивалентный гидродинамический диаметр образованных таким образом каналов с достаточным приближением можно определить соотношением:The equivalent hydrodynamic diameter of the channels thus formed with a sufficient approximation can be determined by the ratio:

Figure 00000030
Figure 00000030

а критическое число Релея [7] (стр.89):and the critical Rayleigh number [7] (p. 89):

Figure 00000031
Figure 00000031

где S, P - площадь поперечного сечения и периметр канала.where S, P is the cross-sectional area and the perimeter of the channel.

Высота do поперечного сечения канала должна быть достаточна для свободной, без контакта со стенками, эвакуации газовых пузырьков продуктов электролиза (в основном водорода на катоде). Величина максимального отрывного диаметра газовых пузырьков от генерирующей поверхности dотр в пренебрежении гидродинамическими силами πcf(Re)ρow2do2/8, не превышающими 10...20% от величины подъемной силы πgρodo3/6, по Фритцу-Энде [12] составляет dотр=0,0208θ(σ/ρog)1/2; поэтому должно выполняться условие:The channel cross-section height d o should be sufficient for free, without contact with the walls, evacuation of gas bubbles of electrolysis products (mainly hydrogen at the cathode). The magnitude of the maximum diameter of the tear gas bubbles generating surface by d Neg neglecting hydrodynamic forces πc f (Re) ρ o w d o 2 2/8 not exceeding 10 ... 20% of the lift πgρ o d o 3/6, according to Fritz-End [12] is d otr = 0,0208θ (σ / ρ o g) 1/2 ; therefore, the condition must be met:

Figure 00000032
Figure 00000032

или условие для эквивалентного диаметра канала с учетом геометрии канала и формулы (23):or a condition for the equivalent diameter of the channel, taking into account the geometry of the channel and formula (23):

Figure 00000033
Figure 00000033

где К1=2[(1+1/ψ2)1/2+1]-1=2/(1/sinα+1)where K 1 = 2 [(1 + 1 / ψ 2 ) 1/2 +1] -1 = 2 / (1 / sinα + 1)

К2=rmax[(1+1/ψ2)1/2-1]=rmax(1/sinα-1)K 2 = r max [(1 + 1 / ψ 2 ) 1/2 -1] = r max (1 / sinα-1)

Таким образом совокупность условий способа (17), (22), (23), (25) составляет:Thus, the set of conditions of the method (17), (22), (23), (25) is:

Figure 00000034
Figure 00000034

Управление гидродинамической устойчивостью потоков раствора в способе осуществляют на базе соотношений (17), (22), (23) с помощью варьируемых параметров, которые включают в себя:The hydrodynamic stability of the solution flows in the method is controlled on the basis of relations (17), (22), (23) using variable parameters, which include:

- скорость течения раствора по каналам w,is the flow rate of the solution along the channels w,

- плотность электрического тока i;- electric current density i;

и два независимых геометрических параметра:and two independent geometric parameters:

- линейный масштаб канала, задаваемый do (либо взаимосвязанными величинами h, λ, δэ);- the linear scale of the channel specified by d o (or interrelated quantities h, λ, δ e );

- параметр ψ=λ/2h=tgα, характеризующий отношение длины и параметра амплитуды образующей плоской волны, численно равный тангенсу угла а раскрытия образованного канала (фиг.10).- the parameter ψ = λ / 2h = tgα, characterizing the ratio of the length and the amplitude parameter of the generatrix of the plane wave, numerically equal to the tangent of the opening angle of the formed channel (Fig. 10).

Указанные параметры позволяют раздельно воздействовать на величину градиента концентраций раствора Δρ(i,δ) (см. (11), (12)) (причину конвективных возмущений потока), входящего в левую часть условия гидродинамической устойчивости (15) и на величину критического числа Релея Ra*o (16) в правой части условия (15), которое гиперболически возрастает с уменьшением ψ (пропорционально 1/ψ4=(2h/λ)4).The indicated parameters make it possible to separately influence the value of the solution concentration gradient Δρ (i, δ) (see (11), (12)) (the cause of convective perturbations of the flow) included in the left-hand side of the hydrodynamic stability condition (15) and the value of the critical Rayleigh number Ra * o (16) on the right-hand side of condition (15), which increases hyperbolic with decreasing ψ (in proportion to 1 / ψ 4 = (2h / λ) 4 ).

5.2. Достигаемые эффекты способа5.2. Achievable effects of the method

5.2.1. Интенсивность процесса5.2.1. Process intensity

Максимальная интенсивность процесса q, т.е. производительность по целевому продукту, например по хлору, на единицу поверхности электрода электролизного элемента определяется плотностью предельно допустимого по условию устойчивости тока iпр:The maximum intensity of the process q, i.e. the performance of the target product, for example, chlorine, per unit surface of the electrode of the electrolysis cell is determined by the density of the maximum permissible current stability condition i pr :

Figure 00000035
Figure 00000035

где э - электрохимический эквивалент, э=1,3 г Cl/А-ч;where e is the electrochemical equivalent, e = 1.3 g Cl / Ah;

MCl=35 г/моль - молекулярный вес хлора;M Cl = 35 g / mol - molecular weight of chlorine;

n=1 - заряд иона;n = 1 is the ion charge;

F=26,8 г/А-ч - число Фарадея.F = 26.8 g / Ah - the Faraday number.

При заданных линейных размерах параметров канала δэ согласно (24), (25) и скорости пропускания раствора через элемент w максимально допустимая по условию гидродинамической устойчивости процесса (17) плотность тока iпр составляет:Given the linear dimensions of the channel parameters δ e according to (24), (25) and the rate of transmission of the solution through the element w, the maximum current density i pr, which is admissible under the condition of hydrodynamic stability of process (17), is

Figure 00000036
Figure 00000036

т.е. прямо пропорциональна базовому числу Релея Ra*o (в канале без протока жидкости), которое в предлагаемом способе согласно (23) регулируется только параметром образующей волны ψ=λ/2h и не зависит от общих габаритов электродов.those. it is directly proportional to the base Rayleigh number Ra * o (in a channel without a liquid flow), which in the proposed method according to (23) is regulated only by the parameter of the generating wave ψ = λ / 2h and does not depend on the overall dimensions of the electrodes.

В сравнении с известными способами [2] ([3]), включающими пропускание раствора в канале высотой δ между двумя гладкостенными параллельными поверхностями электродов, где критическое число Релея Re*o(пл)≈π4 по формуле (2), предлагаемый способ позволяет путем выбора параметра ψ=λ/2h, например ψ=λ/2h→1,5, 1,0, 0,5, повысить гидродинамическую устойчивость процесса относительно прототипа (при той же высоте рабочих каналов do и скорости течения w) в соотношении: Ra*o/Ra*o(пл)=[1+4(2h/λ)2]2, т.е. соответственно в 8; 25 и 290 раз и, следовательно повысить предельную плотность тока iпр согласно (28) (см. кривые d, e на фиг.11).In comparison with the known methods [2] ([3]), including passing a solution in a channel of height δ between two smooth-walled parallel surfaces of the electrodes, where the critical Rayleigh number Re * o (pl) ≈π 4 according to formula (2), the proposed method allows by choosing the parameter ψ = λ / 2h, for example, ψ = λ / 2h → 1.5, 1.0, 0.5, to increase the hydrodynamic stability of the process relative to the prototype (at the same height of the working channels d o and flow velocity w) in the ratio : Ra * o / Ra * o (pl) = [1 + 4 (2h / λ) 2 ] 2 , i.e. respectively at 8; 25 and 290 times and, therefore, increase the limiting current density i pr according to (28) (see curves d, e in Fig. 11).

Фиг.11 иллюстрирует области устойчивости потоков и допустимые значения режимных параметров в предлагаемом способе в виде диаграммы, рассчитанной по совокупности условий (17), (22), (23), (25), (26) и дающей зависимости допустимых значений плотности тока от выбранного δэ max при скорости течения w=5; 10; 15 см/с и при фиксированном значении параметров: ψ=λ/2h=1,5, ρо=1,01 г/см3, λэл=110 см2/Ом·моль, D=1,5·10-5 см2/с, L=15 см, Т=40°С, М=58 г/моль, Θ=20°, σ=74 дин/см.11 illustrates the field of flow stability and the permissible values of operating parameters in the proposed method in the form of a diagram calculated from the combination of conditions (17), (22), (23), (25), (26) and giving the dependence of the permissible values of current density on the selected δ e max when the flow velocity w = 5; 10; 15 cm / s and with a fixed value of the parameters: ψ = λ / 2h = 1.5, ρ о = 1.01 g / cm 3 , λ el = 110 cm 2 / Ohm · mol, D = 1.5 · 10 - 5 cm 2 / s, L = 15 cm, T = 40 ° C, M = 58 g / mol, Θ = 20 °, σ = 74 dyne / cm.

Каждая кривая δэ max=f(i) является верхней границей всех допустимых сочетаний δэ-i при заданной скорости течения w=const, которые на диаграмме изображаются точками, лежащими ниже данной кривой w=const, т.е. все сочетания δэ-i при скорости течения w=5 см/с, обеспечивающие устойчивый режим процесса, лежат в области ниже кривой w=5 см/с; а лежащие выше данной кривой соответствуют неустойчивому режиму с вихревыми нарушениями ламинарного течения. При увеличении скорости w до 10 см/с область устойчивых режимов соответственно расширяется до границы кривой w=10 см/с и т.д.Each curve δ e max = f (i) is the upper boundary of all permissible combinations δ e -i for a given flow velocity w = const, which are represented on the diagram by the points lying below this curve w = const, i.e. all combinations δ e -i at a flow rate w = 5 cm / s, which ensure a stable process, lie in the region below the curve w = 5 cm / s; and those lying above this curve correspond to an unstable regime with vortex disturbances of the laminar flow. With an increase in the velocity w to 10 cm / s, the region of stable regimes, respectively, expands to the boundary of the curve w = 10 cm / s, etc.

Например, при выбранном диаметре канала δэ1=0,3 см и скорости течения w=5 см/с предельно допустимая плотность тока iпр=17 мА/см2 (точка а); при увеличении скорости w до 10 см/с предельная плотность тока увеличивается до 83 мА/см2 (точка b); но при увеличении плотности тока до 100 мА/см2 и при сохранении прежней скорости w=10 см/с режим становится неустойчивым (точка с).For example, with the selected channel diameter δ e1 = 0.3 cm and the flow velocity w = 5 cm / s, the maximum permissible current density i pr = 17 mA / cm 2 (point a); when the speed w increases to 10 cm / s, the limiting current density increases to 83 mA / cm 2 (point b); but when the current density increases to 100 mA / cm 2 and while maintaining the previous speed w = 10 cm / s, the mode becomes unstable (point c).

Нижней границей допустимых значений δэ на диаграмме является условие δээ min согласно (26).The lower limit of the permissible values of δ e in the diagram is the condition δ e = δ e min according to (26).

Кривые d и с на диаграмме иллюстрируют уменьшение устойчивости и величины предельных токов по сравнению со способом в известных аналогах [2], [3] - плоскопараллельных электродных системах с обычными гладкими электродами; кривая d, соответствующая скорости w=10 см/с, и кривая с (w=15 см/с) показывают, что предельные плотности тока, достигаемые в способе, в 8 раз выше, чем в аналоге, пропорционально указанному выше возрастанию критерия Релея Ra*o в 8 раз при выбранном в диаграмме значения параметра ψ=λ/2h=1,5; при выборе данного параметра ψ=1,0 или 0,8 указанное возрастание составит соответственно от 25 до 290 раз.Curves d and c in the diagram illustrate the decrease in the stability and the magnitude of the limiting currents compared to the method in the known analogues [2], [3] - plane-parallel electrode systems with ordinary smooth electrodes; the curve d corresponding to the speed w = 10 cm / s and the curve c (w = 15 cm / s) show that the limiting current densities achieved in the method are 8 times higher than in the analogue, proportional to the above increase in the Rayleigh criterion Ra * o 8 times with the parameter ψ = λ / 2h = 1.5 selected in the diagram; when choosing this parameter ψ = 1.0 or 0.8, the indicated increase will be from 25 to 290 times, respectively.

В предложенном способе устраняется главный недостаток прототипа [8], [9], [13], включающего пропускание раствора через кольцевые цилиндрические каналы, где базовое число Релея Ra*о (ц) согласно (3) определяется квадратом отношения высоты канала δ к радиусу внутреннего электрода [7, стр.92]:In the proposed method, the main disadvantage of the prototype [8], [9], [13] is eliminated, including passing the solution through circular cylindrical channels, where the base Rayleigh number Ra * o (q) according to (3) is determined by the square of the ratio of the channel height δ to the inner radius electrode [7, p. 92]:

Figure 00000037
Figure 00000037

где kR=(5...7)·103.where k R = (5 ... 7) · 10 3 .

Предельно допустимая плотность тока в этом случае согласно (28) составляет:The maximum permissible current density in this case according to (28) is:

Figure 00000038
Figure 00000038

т.е. интенсивно снижается с увеличением диаметра электродов 2rB пропорционально 1/rB2.those. intensively decreases with increasing electrode diameter 2r B in proportion to 1 / r B 2 .

Для достижения приемлемых промышленных плотностей тока iпр≈0,1 А/см2 в данном способе принимается соотношение δ/rв≈0,2.To achieve acceptable industrial current densities i pr ≈0.1 A / cm 2 in this method, the ratio δ / r in ≈0.2 is adopted.

Поскольку высота канала всегда жестко ограничена условием минимизации омических потерь энергии в элементе (в способе δ=δmin=0,12 см), это в свою очередь вынуждает ограничивать предельный радиус электродов rв max≤0,12/0,2=0,6 см (в способе-прототипе rв max≈0,4...0,6 см), т.е. принципиально ограничивает возможность развития их рабочей поверхности S (в прототипе S=πrвL2≤50·см2).Since the channel height is always strictly limited by the condition of minimizing ohmic energy losses in the element (in the method δ = δ min = 0.12 cm), this in turn forces us to limit the limiting radius of the electrodes r to max ≤ 0.12 / 0.2 = 0, 6 cm (in the prototype method r in max ≈0.4 ... 0.6 cm), i.e. fundamentally limits the possibility of developing their working surface S (in the prototype S = πr in L 2 ≤50 · cm 2 ).

Численное сопоставление по iпр с прототипом дано в примерах реализации способа.A numerical comparison of i pr with the prototype is given in the examples of the method.

5.2.2. Общая производительность процесса5.2.2. Overall process performance

Общая производительность электролизного элемента по целевому продукту:The total performance of the electrolysis cell for the target product:

- в предлагаемом способе с учетом (27) максимальная производительность элемента при длине каналов Lo, общей ширине электродов Н - составляет:- in the proposed method, taking into account (27), the maximum productivity of the element with the channel length L o , the total width of the electrodes H - is:

Qc=iпр Э SЭ=iпр Э SM kψ=Э kψ iпр H Lo,Q c = i pr S S Э = i pr S S M k ψ = k k ψ i pr HL o ,

т.е. с увеличением ширины электрода Н неограниченно растет;those. with an increase in the width of the electrode, H increases unlimitedly;

(здесь: SМ=Н Lo - габаритная площадь элемента, равная площади разделительной диафрагмы; SЭ - рабочая поверхность электрода; SЭ=SM·kψ=SM(1+1/ψ2)1/2);(here: S М = Н L o - element overall area, equal to the area of the separation diaphragm; S Э - working surface of the electrode; S Э = S M · k ψ = S M (1 + 1 / ψ 2 ) 1/2 );

- в цилиндрическом элементе [8] той же длины Lo с учетом (30) при прочих равных параметрах w, δэ производительность составляет:- in a cylindrical element [8] of the same length L o , taking into account (30), ceteris paribus, δ e the productivity is:

Qц=iпрЭS=kikR(δ/rB)2(2πrLo)Э=2πЭkikRδ2Lo/rв(max),Q c = i pr ES = k i k R (δ / r B ) 2 (2πrL o ) Э = 2πЭk i k R δ 2 L o / r in (max) ,

т.е. с увеличением диаметра электродов dЭ=2rB - производительность Qц падает, поскольку предельный ток iпр снижается пропорционально квадрату радиуса электрода rв. Соотношение величин Qc/Qц растет пропорционально Н/rв(max) и не имеет принципиальных ограничений верхнего предела;those. with increasing electrode diameter E d = 2r B - Q p falls performance because the limiting current i ave decreases with the square of the radius r to the electrode. The ratio of the quantities Q c / Q c grows proportionally to H / r in (max) and does not have fundamental restrictions on the upper limit;

ki=w7/3(KooL0,25)4/3 - постоянная по условиям сравнения.k i = w 7/3 (K o / δ o L 0.25 ) 4/3 - constant according to the conditions of comparison.

Особенностями предлагаемого способа является то, что:The features of the proposed method is that:

- совокупность разработанных условий обеспечения устойчивости процесса (17), (22), (23), будучи выполненной для одного отдельного канала, автоматически выполняется для всей системы каналов, не накладывая каких-либо ограничений на размеры электродов и производительность электролизных элементов вплоть до развитых промышленных масштабов;- the set of developed conditions for ensuring the stability of the process (17), (22), (23), being fulfilled for one separate channel, is automatically performed for the entire system of channels, without imposing any restrictions on the size of the electrodes and the performance of electrolysis cells up to developed industrial scale;

- совокупность существенных признаков способа не накладывает также никаких ограничений на общую геометрию и конструкцию электродов и электролизных элементов, которая может быть выполнена как плоскостной, так и цилиндрической (см. фиг.12, 13).- the set of essential features of the method also does not impose any restrictions on the general geometry and design of the electrodes and electrolysis cells, which can be performed both planar and cylindrical (see Fig. 12, 13).

Данная особенность является практически наиболее важной, т.к. решает задачу создания фильтр-прессных многоэлементных батарей с биполярными электродами для промышленных масштабов обработки слабых водно-солевых растворов.This feature is almost the most important, because solves the problem of creating filter-press multi-cell batteries with bipolar electrodes for the industrial scale of processing weak water-salt solutions.

5.2.3. Энергоэффективность процесса5.2.3. Process energy efficiency

Особенностью способа является существенное повышение энергетической эффективности процесса обработки слабоконцентрированных водно-солевых растворов.A feature of the method is a significant increase in the energy efficiency of the process of processing weakly concentrated water-salt solutions.

Основные потери энергии ΔN при обработке таких растворов составляют омические потери на сопротивлении электролита ΔRэл:The main energy loss ΔN during the processing of such solutions is the ohmic loss on the resistance of the electrolyte ΔR el :

Figure 00000039
Figure 00000039

где I - ток через элемент;where I is the current through the element;

Р - сопротивление электролита;P is the resistance of the electrolyte;

ρ - удельное электросопротивление электролита;ρ is the electrical resistivity of the electrolyte;

b -толщина прослойки электролита между электродами, b=bo=doM - для волновых электродов способа; b=bц=2doM - для цилиндрических электродов прототипа;b is the thickness of the layer of electrolyte between the electrodes, b = b o = d o + δ M for wave electrodes of the method; b = b C = 2d o + δ M - for the cylindrical electrodes of the prototype;

δM - толщина разделительной диафрагмы;δ M is the thickness of the separation diaphragm;

S - поверхность электродов.S is the surface of the electrodes.

Сравнивая при равной силе тока I потери энергии ΔNo в элементе с волнообразной поверхностью электродов и потери ΔNL в элементе с цилиндрическими электродами, имеющими одинаковую высоту каналов δ=do в катодной и анодной полостях и одинаковую рабочую поверхность по разделительной диафрагме SM, получим:Comparing, with equal current strength I, the energy loss ΔN o in the element with a wave-like surface of the electrodes and the loss ΔN L in the element with cylindrical electrodes having the same channel height δ = d o in the cathode and anode cavities and the same working surface along the separation diaphragm S M , we obtain :

Figure 00000040
Figure 00000040

При значениях параметра ψ от 1 до 2 и для обычного порядка соотношения δM/do≈0,5/0,12=0,4 энергопотери в элементе с волнообразной поверхностью электродов составляют от 40% до 50% относительно цилиндрического элемента. Это является следствием развития поверхности электродов и сокращения рабочего межэлектродного расстояния в элементе с волнообразной поверхностью электродов.For values of the parameter ψ from 1 to 2 and for the usual order, the relations δ M / d o ≈0.5 / 0.12 = 0.4 the energy loss in an element with a wavy surface of the electrodes is from 40% to 50% relative to the cylindrical element. This is a consequence of the development of the surface of the electrodes and the reduction of the working interelectrode distance in the cell with a wavy surface of the electrodes.

5.3. Технический результат способа5.3. The technical result of the method

Совокупность отличительных признаков способа, изложенных в п.5, позволяет получить качественно новые технические эффекты:The set of distinguishing features of the method described in paragraph 5, allows to obtain a qualitatively new technical effects:

5.3.1. Повысить гидродинамическую устойчивость процессов электрохимической обработки ламинарных потоков слабоконцентрированных водных растворов к возмущениям от гравитационно-концентрационной конвекции в крупногабаритных плоскощелевых электродных каналах.5.3.1. To increase the hydrodynamic stability of the processes of electrochemical processing of laminar flows of weakly concentrated aqueous solutions to perturbations from gravity-concentration convection in large-sized plane-gap electrode channels.

5.3.2. Повысить интенсивность и энергоэффективность процесса; качественно повысить общую производительность проточных электролизных элементов относительно аналогов, устранив принципиальные ограничения производительности известных способов.5.3.2. To increase the intensity and energy efficiency of the process; to qualitatively increase the overall productivity of flowing electrolysis cells relative to analogues, eliminating the fundamental performance limitations of known methods.

5.3.3. Получить базу создания крупномасштабных конструкций элементов с биполярными электродами и многоэлементных электролизных батарей промышленной производительности для обработки слабоконцентрированных водных растворов.5.3.3. Get the basis for creating large-scale structures of elements with bipolar electrodes and multi-cell electrolysis batteries of industrial capacity for the processing of weakly concentrated aqueous solutions.

6. Примеры конструктивной реализации способа.6. Examples of constructive implementation of the method.

Примеры реализации способа в различных вариантах конструкции приведены на фиг.12, 13, 14.Examples of the method in various designs are shown in Fig.12, 13, 14.

Фиг.12, 13 иллюстрируют конструкцию плоскостного электролизного элемента, включающего:12, 13 illustrate the construction of a planar electrolysis cell, including:

2 - катод плоской прямоугольной геометрии с плосковолновой поверхностью,2 - cathode of flat rectangular geometry with a plane wave surface,

3 - анод с аналогичной поверхностью, расположенный симметрично аноду относительно оси диафрагмы 4 со сдвигом поверхности относительно анода на фазовый угол π образующей волны, на расстоянии h+δM по нормали к поверхности плоской мембраны и, соответственно на расстояние b=(h+δM)·sinα по нормали к поверхностям электродов в каждой их точке (α - угол раскрытия профиля канала, определяемый параметром образующей волны ψ=tgα=λ/2h, где λ - длина волны, h - параметр амплитуды волны, δM - толщина диафрагмы,3 - an anode with a similar surface located symmetrically to the anode relative to the axis of the diaphragm 4 with a shift of the surface relative to the anode by the phase angle π of the generating wave, at a distance h + δ M normal to the surface of a flat membrane and, accordingly, at a distance b = (h + δ M ) · Sinα along the normal to the surfaces of the electrodes at each point (α is the angle of the channel profile, determined by the parameter of the generating wave ψ = tgα = λ / 2h, where λ is the wavelength, h is the wave amplitude parameter, δ M is the diaphragm thickness,

4 - разделительную диафрагму толщиной δM.4 - separation diaphragm thickness δ M.

Катод 2 и анод 3, выполненные с поверхностями (см. фиг.13), отвечающими условиям (17)...(25) и расположенные указанным образом, образуют в совокупности с диафрагмой 4 в катодной и анодной камерах элемента соответственно систему параллельных каналов, по которым пропускают обрабатываемые растворы 1, выдерживая силу тока электролиза и скорость течения растворов в соответствии с условием (17) гидродинамической устойчивости потоков к концентрационно-гравитационным возмущениям.The cathode 2 and anode 3, made with surfaces (see Fig. 13) that meet the conditions (17) ... (25) and are located in this way, form, together with the diaphragm 4 in the cathode and anode chambers of the element, a system of parallel channels, through which the processed solutions 1 are passed, withstanding the strength of the electrolysis current and the flow rate of solutions in accordance with condition (17) of the hydrodynamic stability of the flows against concentration-gravitational perturbations.

На выходе камер получают соответственно анолит 6 с кислотной реакцией и дезинфицирующими свойствами и католит 5 со щелочной реакцией (см. фиг.12).At the outlet of the chambers, anolyte 6 with an acid reaction and disinfecting properties and catholyte 5 with an alkaline reaction are respectively obtained (see Fig. 12).

Особенностью данной конструкции является возможность существенного развития рабочей площади электродов 2, 3 и, следовательно, производительности электролизных элементов, т.к. условие устойчивости (17) не накладывает никаких ограничений на размеры и общую конфигурацию электродов и элементов в целом в отличие от ограничений (типа (3)), присущих известным способам [8] и конструкциям [9].A feature of this design is the possibility of a substantial development of the working area of electrodes 2, 3 and, consequently, the performance of electrolysis cells, since the stability condition (17) does not impose any restrictions on the size and overall configuration of the electrodes and elements as a whole, in contrast to the limitations (type (3)) inherent in the known methods [8] and structures [9].

Второй существенной особенностью конструкции является возможность выполнения электродов биполярными, с двумя работающими поверхностями: одна в режиме катода, вторая - в режиме анода, при последовательном включении элементов в электролизную батарею (см. пунктир на фиг.12).The second significant design feature is the ability to make electrodes bipolar, with two working surfaces: one in cathode mode, the second in anode mode, when cells are connected in series to the electrolysis battery (see dotted line in Fig. 12).

Данная особенность позволяет реализовать промышленно масштабные электролизные батареи современного фильтр-прессного типа для обработки слабоконцентрированных растворов.This feature allows you to implement industrial-scale electrolysis batteries of a modern filter-press type for the treatment of weakly concentrated solutions.

Особенности предлагаемого способа позволяют, при необходимости, реализовать на его основе также и цилиндрические конструкции электролизных элементов, иллюстрированных на фиг.14, где 2 - цилиндрический катод и 3 - цилиндрический анод с профилированными поверхностями согласно (17)...(25), 4 - диафрагма.The features of the proposed method allow, if necessary, to realize on its basis also cylindrical designs of electrolysis cells, illustrated in Fig. 14, where 2 is a cylindrical cathode and 3 is a cylindrical anode with profiled surfaces according to (17) ... (25), 4 - aperture.

Однако в отличие от известных конструкций типа [9] никаких ограничений на диаметр элемента dB и, следовательно, на его рабочую поверхность не накладывается.However, in contrast to the known constructions of the type [9], there are no restrictions on the element diameter d B and, therefore, on its working surface is not imposed.

На фиг.15 приведен внешний вид электродов с плосковолновой поверхностью, выполненной согласно условиям способа.On Fig shows the appearance of the electrodes with a plane wave surface made according to the conditions of the method.

При габаритах рабочей поверхности электродов с вариантами 75×150 мм и 100×200 мм величина их рабочей поверхности в сборе элемента составляет около 140 см2 и 240 см2, т.е. от 3 до 4,5 раз превышает поверхность единичного цилиндрического элемента в известных конструкциях [9], [13].With the dimensions of the working surface of the electrodes with options 75 × 150 mm and 100 × 200 mm, the value of their working surface in the assembly of the element is about 140 cm 2 and 240 cm 2 , i.e. from 3 to 4.5 times the surface of a single cylindrical element in known structures [9], [13].

ЛитератураLiterature

1. Л.А.Кульский и др. «Технологии очистки природных вод», Киев, Высшая школа, 1986 г.1. L.A. Kulsky et al. "Technologies for the purification of natural waters", Kiev, Higher School, 1986

2. Патент США №5427658 от 27.06.1995 г.2. US patent No. 5427658 from 06/27/1995,

3. Электрохимактиватор медицинский. Информационный листок №03049 от 27.02.1987 г.3. Medical electrochemical activator. Information leaflet No. 03049 dated 02.27.1987

4. Авторское свидетельство СССР №904394 от 27.05.1980 г.4. USSR author's certificate No. 904394 of 05/27/1980

5. «Прикладная электрохимия» под ред. Томилова А.П., М., Химия, 1984 г.5. “Applied Electrochemistry”, ed. Tomilova A.P., M., Chemistry, 1984

6. Гетлинг А.В. «Конвекция Релея-Бенара», М., Эдиториал УРСС, 1999 г.6. Getling A.V. “Rayleigh-Benard Convection”, M., URSS Editorial, 1999

7. Г.З.Гершуни, Е.М.Жуховицкий. «Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости». М., Наука, 1972 г.7. G.Z. Gershuni, E.M. Zhukhovitsky. "Convective stability of an incompressible fluid." M., Science, 1972

8. Патент РФ №2155719 от 25.12.1998 г.8. RF patent №2155719 from 12.25.1998

9. Патент РФ №2038322 от 03.04.1992 г.9. RF patent No. 2038322 of 04/03/1992

10. Патент Японии №1104387 от 21.09.1987 г.10. Japan Patent No. 1104387 of 09.21.1987

11. Б.Б.Дамаскин. «Введение в электрохимическую кинетику», М., Высшая школа, 1975 г.11. B.B.Damaskin. "Introduction to electrochemical kinetics", M., Higher school, 1975

12. С.С.Кутателадзе. «Основы теории теплообмена», Новосибирск, Наука, 1970 г.12. S. S. Kutateladze. "Fundamentals of the theory of heat transfer", Novosibirsk, Science, 1970

13. В.М.Бахир. «Электрохимическая активация», М., ВНИИМТ, 1992 г.13. V.M. Bakhir. "Electrochemical activation", M., VNIIMT, 1992

Перечень фигур:List of figures:

Фиг.1. Схема процесса электрохимической обработки водно-солевого раствора.Figure 1. Scheme of the process of electrochemical treatment of water-salt solution.

Фиг.2. Явление гравитационной конвекции при градиенте концентраций электролита в канале электролизной ячейки.Figure 2. The phenomenon of gravitational convection with a gradient of electrolyte concentrations in the channel of the electrolysis cell.

Фиг.3. Структуры вихревой конвекции.Figure 3. Structures of vortex convection.

Фиг.4. Способ обработки раствора в элементе с кольцевым каналом.Figure 4. A method of processing a solution in an element with an annular channel.

Фиг.5. Схема кольцевых каналов.Figure 5. The circuit of the annular channels.

Фиг.6. Градиент концентраций в неподвижном электролите.6. The concentration gradient in a stationary electrolyte.

Фиг.7. Градиент концентраций при течении электролита с пограничным диффузионным слоем.7. The concentration gradient during the flow of an electrolyte with a boundary diffusion layer.

Фиг.8. Зависимость градиента концентраций в канале элемента от плотности тока обработки и скорости течения раствора.Fig. 8. Dependence of the concentration gradient in the element channel on the density of the processing current and the solution flow rate.

Фиг.9. Принцип разделения потока раствора на систему параллельных каналов в электролизном элементе.Fig.9. The principle of separation of the solution flow into a system of parallel channels in the electrolysis cell.

Фиг.10. Профили плосковолновых эквидистантных поверхностей электродов.Figure 10. Profiles of plane-wave equidistant electrode surfaces.

Фиг.11. Диаграмма зон устойчивости ламинарных потоков раствора в функции плотностей тока, скорости течения и размеров электродных каналов.11. Diagram of stability zones of laminar flow of a solution as a function of current densities, flow velocity, and sizes of electrode channels.

Фиг.12. Конструктивная схема плоскостных электролизных элементов с плосковолновыми электродами.Fig. 12. The structural scheme of planar electrolysis cells with plane wave electrodes.

Фиг.13. Профили электродов с эквидистантной плосковолновой поверхностью в плоскостном электролизном элементе.Fig.13. Profiles of electrodes with an equidistant plane-wave surface in a planar electrolysis cell.

Фиг.14. Профили электродов с эквидистантной волновой поверхностью в цилиндрическом элементе.Fig.14. Profiles of electrodes with an equidistant wave surface in a cylindrical element.

Фиг.15. Внешний вид электродов с плосковолновой поверхностью (материал - титан).Fig.15. Appearance of electrodes with a plane-wave surface (material - titanium).

Claims (1)

Способ электрохимической обработки водно-солевых растворов для получения дезинфицирующих и моющих веществ и регулирования кислотно-основного состояния растворов, включающий в себя пропускание растворов электролита раздельными потоками через камеры между поверхностями соответственно катода и анода электролизного элемента и поверхностью разделяющей их диафрагмы, проницаемой для электролита, отличающийся тем, что общий поток исходного раствора на входе в катодную и анодную камеры равномерно разделяют на систему параллельных потоков; потоки пропускают над поверхностями электродов в ламинарном режиме течения при скорости w по системе параллельных, гидродинамически разобщенных каналов, которые образуют в камерах поверхностью разделительной диафрагмы и эквидистантными поверхностями катода и анода, имеющими конфигурацию плоской волны с параметрами длины λ, амплитуды h и радиусами кривизны поверхности r; обработку ведут при плотности тока i, выдерживая соотношение параметров в пределах, определяемых по критерию гидродинамической устойчивости ламинарного течения раствора к возмущениям от концентрационно-гравитационной конвекции и по условию пузырькового режима эвакуации электролизных газов:The method of electrochemical treatment of water-salt solutions to obtain disinfectants and detergents and control the acid-base state of solutions, which includes passing electrolyte solutions in separate streams through the chambers between the surfaces of the cathode and anode of the electrolysis cell, respectively, and the surface of the diaphragm separating them, permeable to electrolyte, characterized the fact that the total flow of the initial solution at the entrance to the cathode and anode chambers is evenly divided into a system of parallel flows ; flows are passed over the surfaces of the electrodes in a laminar flow regime at a velocity w through a system of parallel, hydrodynamically separated channels that form in the chambers the surface of the separation diaphragm and the equidistant surfaces of the cathode and anode having a plane wave configuration with parameters of length λ, amplitude h and surface curvature radii r ; processing is carried out at current density i, maintaining the ratio of parameters within the limits determined by the criterion of hydrodynamic stability of the laminar flow of the solution to disturbances from concentration-gravity convection and by the condition of the bubble regime of evacuation of electrolysis gases: K12·0,0208Θ(σ/ρ0)1/2≡δэminэ, <δэmax≡К0, Ra0*w1,75/(i0,75L0,25)K 1 + K 2 · 0,0208Θ (σ / ρ 0) 1/2 ≡δ emine,emax ≡K 0, Ra 0 * w 1,75 / (i 0,75 L 0,25) и условия эквидистантности поверхностей электродов:and conditions for the equidistance of electrode surfaces: rmax-rmin≡b=(h+δм)·[1+(2h/λ2]-(1/2);r max -r min ≡b = (h + δ m ) · [1+ (2h / λ 2 ] - (1/2) ; 0<rmin<(1/2)·[λ(1+λ2/4h2]-(1/2)-b],0 <r min <(1/2) · [λ (1 + λ 2 / 4h 2 ] - (1/2) -b], где δэ=2h[1+(1+4h22)l/2]-1 - эквивалентный гидродинамический диаметр канала;where δ e = 2h [1+ (1 + 4h 2 / λ 2 ) l / 2 ] -1 is the equivalent hydrodynamic diameter of the channel; rmax, rmin - максимальный и минимальный радиусы кривизны профиля поверхности электродов;r max , r min - the maximum and minimum radii of curvature of the surface profile of the electrodes; b - расстояние по нормали между эквидистантными поверхностями анода и катода в каналах;b is the normal distance between the equidistant surfaces of the anode and cathode in the channels; L - длина канала по потоку;L is the channel length downstream; δм - толщина диафрагмы;δ m - the thickness of the diaphragm; Ra0*4[1+4(2h/λ)2]2 - минимальное критическое значение диффузионного аналога критерия Релея в канале с неподвижной жидкостью;Ra 0 * = π 4 [1 + 4 (2h / λ) 2 ] 2 - the minimum critical value of the diffusion analogue of the Rayleigh criterion in a channel with a stationary fluid; К0=[(4,5·10-3·ρ0·R·Т·(1+ta)·λэл·D2/3)·(g·F·ν·M)-1]0,75 - константа физико-химических параметров раствора;To 0 = [(4,5 · 10 -3 · ρ 0 · R · Т · (1 + t a ) · λ el · D 2/3 ) · (g · F · ν · M) -1 ] 0, 75 - the constant of the physicochemical parameters of the solution; K1=rmax[1-(1+4h2/2)-1/2]·[1+(1+4h22)-1/2]-1, 1 K = r max [1- (1 + 4h 2/2) 1/2] · [1+ (1 + 4h 2 / λ 2) -1/2] -1 К2=[1+(1+4h22)-1/2]-1,K 2 = [1+ (1 + 4h 2 / λ 2 ) -1/2 ] -1 , ρ0 - плотность раствора, г/см3;ρ 0 is the density of the solution, g / cm 3 ; R - универсальная постоянная;R is the universal constant; Т - температура;T is the temperature; ta - число переноса аниона в электролите;t a is the anion transfer number in the electrolyte; λэл - мольная эквивалентная электропроводность раствора, см2/(Ом·моль);λ e - mole equivalent conductivity solution cm2 / (ohm · mol); D - коэффициент диффузии раствора соли в электролите, см2/с;D is the diffusion coefficient of the salt solution in the electrolyte, cm 2 / s; g - ускорение свободного падения, см/с2;g is the acceleration of gravity, cm / s 2 ; F - число Фарадея, А·ч/моль;F is the Faraday number, A · h / mol; ν - коэффициент кинематической вязкости, см2/с;ν is the kinematic viscosity coefficient, cm 2 / s; М - молекулярная масса соли раствора, г/моль;M is the molecular weight of the salt of the solution, g / mol; σ - поверхностное натяжение раствора, дин/см;σ is the surface tension of the solution, dyne / cm; Θ - угол смачивания поверхности электродов раствором.Θ is the contact angle of the electrode surface with the solution.
RU2003128393/15A 2003-09-23 2003-09-23 Method of electrochemical treatment of the water-salt solutions RU2270803C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128393/15A RU2270803C2 (en) 2003-09-23 2003-09-23 Method of electrochemical treatment of the water-salt solutions

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003128393/15A RU2270803C2 (en) 2003-09-23 2003-09-23 Method of electrochemical treatment of the water-salt solutions

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003128393A RU2003128393A (en) 2005-04-10
RU2270803C2 true RU2270803C2 (en) 2006-02-27

Family

ID=35611055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003128393/15A RU2270803C2 (en) 2003-09-23 2003-09-23 Method of electrochemical treatment of the water-salt solutions

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2270803C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003128393A (en) 2005-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pérez et al. Development of an innovative approach for low-impact wastewater treatment: A microfluidic flow-through electrochemical reactor
KR102480938B1 (en) Method for electrochemically producing electrolyzed water
Tanaka et al. Dissolution of hydrogen and the ratio of the dissolved hydrogen content to the produced hydrogen in electrolyzed water using SPE water electrolyzer
KR20130023154A (en) Continuous electrolyzed oxidizing/reduction water generator device
JP5069292B2 (en) Equipment for electrochemical water treatment
US20230406733A1 (en) Novel flow features for self-cleaning concentric tubular electrochemical cells
US4950370A (en) Electrolytic gas generator
RU2073071C1 (en) Electrolytic cell
KR20160126010A (en) Electrode arrangement for electrochemically treating a liquid
JPH02247391A (en) Improved electrolytic apparatus and anode
KR20190026597A (en) Method and apparatus for producing highly concentrated slightly acidic electrolyzed water
RU2270803C2 (en) Method of electrochemical treatment of the water-salt solutions
KR101474868B1 (en) Electrolyzer improving electrolvte diffusion efficiency and gas-exhaust efficiency
US20230295815A1 (en) Combined Current Carrier Circulation Chamber and Frame for use in Unipolar Electrochemical Devices
CN108431302B (en) Organic electrolysis preparation device and Organic electrolysis preparation method
US5087344A (en) Electrolysis cell for gas-evolving electrolytic processes
US11958762B1 (en) Internal electrical connections for concentric tubular electrochemical cells
WO2020085066A1 (en) Fluorine gas production device
EP0077982B1 (en) An electrolysis process and electrolytic cell
WO2008090367A1 (en) Electro-chlorinator
JPS5828354B2 (en) Horizontal mercury cathode electrolyzer for uranium ion reduction
US3463722A (en) Electrolysis system for chlorate manufacture
WO2019039607A1 (en) Electrolysis cell and electrode plate for electrolysis cell
Zhang et al. Direct electrolysis of bunsen reaction product for hydrogen production: The continuous-flow operation
Scott et al. A study of current distribution in a DEM cell during bromate formation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090924