RU2494974C1 - Device for electrochemical deoxygenation of highly pure water - Google Patents

Device for electrochemical deoxygenation of highly pure water Download PDF

Info

Publication number
RU2494974C1
RU2494974C1 RU2012114642/05A RU2012114642A RU2494974C1 RU 2494974 C1 RU2494974 C1 RU 2494974C1 RU 2012114642/05 A RU2012114642/05 A RU 2012114642/05A RU 2012114642 A RU2012114642 A RU 2012114642A RU 2494974 C1 RU2494974 C1 RU 2494974C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cathode
anode
membrane
chamber
water
Prior art date
Application number
RU2012114642/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Денис Александрович Кирпиков
Олег Юрьевич Пыхтеев
Елена Юрьевна Харитонова
Юрий Владимирович Цапко
Иван Викторович Чистяков
Владимир Сергеевич Гурский
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова"
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 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова"
Priority to RU2012114642/05A priority Critical patent/RU2494974C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2494974C1 publication Critical patent/RU2494974C1/en

Links

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to electrochemical devices of water purification, namely to devices of deoxygenation of highly pure water. Device for electrochemical deoxygenation of highly pure water contains membrane electrolyser 1, consisting of, at least, one cell for membrane electrolysis, which contains cathode chamber 3 with cathode 1, anode chamber 4 with anode 8, separating cathode and anode cation-exchanging membrane 2 and catalytic reactor 16, connected with membrane electrolysis. Cathode chamber is formed with net from nickel or stainless steel, pressed to cathode surface, anode chamber is formed with porous plate from titanium or nickel, pressed to anode surface. Cathode is made in form of electron-conducting palladium layer, applied on surface of cation-exchange membrane, facing cathode chamber. Anode is made in form of electro-conducting platinum layer, applied on opposite surface of cation-exchange membrane, facing anode chamber. Net from nickel or stainless steel is covered with palladium layer. Porous plate from titanium or nickel is covered with layer of platinum or ruthenium or iridium oxides.
EFFECT: invention makes it possible to simplify construction of electrodes and technology of water deoxygenation, increase degree of highly pure water deoxygenation, and reduce energy consumption for carrying out the process.
3 cl, 1 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к электрохимическим устройствам очистки воды, а именно к устройствам деоксигенации воды.The invention relates to electrochemical devices for water purification, namely to devices for deoxygenation of water.

Содержание растворенного кислорода в воде в равновесии с воздухом зависит от температуры, атмосферного давления и находится на уровне 8 мг/л. Растворенный в воде кислород вызывает интенсивную коррозию железа и его сплавов. Ощутимого снижения скорости коррозии технологического оборудования удается достичь при содержании растворенного кислорода в воде на уровне 50 мкг/л и менее. Поэтому деоксигенация воды является одной из важнейших стадий водоподготовки практически во всех технологических процессах с использованием воды.The content of dissolved oxygen in water in equilibrium with air depends on temperature, atmospheric pressure and is at the level of 8 mg / l. Oxygen dissolved in water causes intense corrosion of iron and its alloys. A tangible decrease in the corrosion rate of technological equipment can be achieved with a dissolved oxygen content of 50 μg / L or less in water. Therefore, deoxygenation of water is one of the most important stages of water treatment in almost all technological processes using water.

Деоксигенацию воды можно проводить физическими, химическими или электрохимическими методами [А.В. Кожевников. Удаление кислорода из питательной воды пароэнергетических установок. Ленинград, СЗПИ, 1981, 56 с.].Deoxygenation of water can be carried out by physical, chemical or electrochemical methods [A.V. Tanners. Removing oxygen from feedwater of steam power plants. Leningrad, SZPI, 1981, 56 pp.].

Известны устройства для электрохимической деоксигенации воды, представляющие собой электрохимическую ячейку, катод и анод в которой разделены ионообменной мембраной. Подлежащая деоксигенации вода непрерывно протекает через катодную камеру. Катод ячейки выполнен из металла с высоким перенапряжением выделения водорода - меди (заявка WO 9324412 (А1), дата публикации 09.12.1993 г.) или из серебра (заявка WO 0064816 (А1), дата публикации 02.11.2000 г.). Анод в обоих устройствах выполнен из инертного металла (платина, платинированный титан). При наложении электрического поля на катоде протекает реакция ионизации растворенного кислорода с образованием молекул воды. Ионообменная мембрана, разделяющая анодное и катодное пространства ячейки, препятствует проникновению выделяющегося на аноде кислорода в деоксигенируемую воду. Для повышения производительности деоксигенацию проводят на трехмерных катодах с развитой поверхностью. Недостатком рассмотренных выше электрохимических устройств является достаточно низкая скорость деоксигенации воды, связанная с замедленностью стадии ионизации растворенного кислорода.Known devices for electrochemical deoxygenation of water, representing an electrochemical cell, the cathode and anode of which are separated by an ion-exchange membrane. The water to be deoxygenated continuously flows through the cathode chamber. The cell cathode is made of metal with a high overvoltage of hydrogen evolution - copper (application WO 9324412 (A1), publication date 12/09/1993) or silver (application WO 0064816 (A1), publication date 02/11/2000). The anode in both devices is made of inert metal (platinum, platinum titanium). When an electric field is applied to the cathode, the reaction of ionization of dissolved oxygen proceeds with the formation of water molecules. The ion-exchange membrane separating the anodic and cathodic spaces of the cell prevents the penetration of oxygen released at the anode into deoxygenated water. To increase productivity, deoxygenation is carried out on three-dimensional cathodes with a developed surface. The disadvantage of the above electrochemical devices is the relatively low rate of deoxygenation of water, associated with the delayed stage of ionization of dissolved oxygen.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для электрохимической деоксигенации деионизованной воды (патент США №4830721 дата публикации: 16.05.1989 г., патент-аналог ЕР 0276789 дата публикации 03.08.1988 г.).Closest to the claimed invention is a device for electrochemical deoxygenation of deionized water (US patent No. 4830721 publication date: 05.16.1989, patent analogue EP 0276789 publication date 03.08.1988).

В соответствии с описанием устройства-прототипа, процесс деоксигенации проводят путем последовательной подачи исходной воды в мембранный электролизер и далее в каталитический реактор. Мембранный электролизер включает по меньшей мере одну ячейку, содержащую катод и анод, разделенные катионообменной мембраной. Катод и анод имеют многослойную структуру. Каждый электрод представляет собой набор контактирующих между собой металлических сеток. Сетчатые электроды прижимаются к катионообменной мембране. Как отмечается в описании патента-прототипа, использование таких сетчатых электродов приводит к более однородному распределению тока на мембране, что минимизирует омические потери в высокочистой воде. Высокочистая вода, содержащая растворенный кислород, поступает в проточную катодную камеру ячейки. Вспомогательный электролитический раствор или деионизованная вода циркулирует с периодическим обновлением через анодную камеру ячейки. При наложении электрического поля в указанном устройстве на катоде реализуются как реакция ионизации растворенного кислорода, так и реакция выделения водорода в результате электролиза воды. Ток в системе устанавливается таким образом, чтобы обеспечить на выходе из ячейки стехиометрическое соотношение в воде растворенных кислорода и водорода. В результате реакции ионизации кислорода на катоде происходит снижение концентрации кислорода в воде до уровня, определяемого скоростью ионизации растворенного кислорода. Выходящая из электролизера вода, содержащая остаточное количество растворенных кислорода и водорода (в стехиометрическом соотношении), направляется в каталитический реактор, в котором происходит их количественное взаимодействие с образованием молекул воды. Каталитический реактор представляет собой проточную емкость, заполненную катализатором для инициирования рекомбинации кислорода и водорода.In accordance with the description of the prototype device, the deoxygenation process is carried out by sequentially supplying the source water to the membrane electrolyzer and then to the catalytic reactor. The membrane electrolyzer includes at least one cell containing a cathode and an anode separated by a cation exchange membrane. The cathode and anode have a multilayer structure. Each electrode is a set of metal grids in contact with each other. The mesh electrodes are pressed against the cation exchange membrane. As noted in the description of the prototype patent, the use of such mesh electrodes leads to a more uniform distribution of current on the membrane, which minimizes ohmic losses in high-purity water. High-purity water containing dissolved oxygen enters the cell’s flow-through cathode chamber. The auxiliary electrolytic solution or deionized water circulates with periodic renewal through the anode chamber of the cell. When an electric field is applied in the specified device, both the dissolved oxygen ionization reaction and the hydrogen evolution as a result of water electrolysis are realized at the cathode. The current in the system is set in such a way as to ensure at the outlet of the cell a stoichiometric ratio of dissolved oxygen and hydrogen in water. As a result of the oxygen ionization reaction at the cathode, the oxygen concentration in the water decreases to a level determined by the rate of dissolved oxygen ionization. Water leaving the electrolyzer containing the residual amount of dissolved oxygen and hydrogen (in a stoichiometric ratio) is sent to a catalytic reactor, in which they quantitatively interact with the formation of water molecules. A catalytic reactor is a flow tank filled with a catalyst to initiate the recombination of oxygen and hydrogen.

Конструкция электродов устройства-прототипа повышает эффективность работы устройства за счет того, что электрод дополнительно выполняет функцию распределителя потока и, тем самым, обеспечивает более эффективную доставку деоксигенируемой воды к поверхности электрода, к тому же такая конструкция позволяет снизить омические потери при электролизе воды за счет минимизации расстояния между мембраной и поверхностью электродов. При этом сложность конструкции таких электродов является одним из недостатков такого устройства, так как не решает в полной мере проблему омических потерь при электролизе. Это связано с тем, что между мембраной и электродами остается слой высокочистой воды с высоким электрическим сопротивлением, что и приводит к существенному росту энергозатрат процесса. При этом также на поверхности электродов устройства-прототипа происходит интенсивное выделение газообразных кислорода и водорода и, соответственно, газонаполнение катодной и анодной камер, в результате чего происходит еще более заметный рост электрического сопротивления воды и, соответственно, рост энергозатрат процесса.The design of the electrodes of the prototype device increases the efficiency of the device due to the fact that the electrode additionally performs the function of a flow distributor and, thereby, provides more efficient delivery of deoxygenated water to the electrode surface, moreover, this design allows to reduce ohmic losses during water electrolysis by minimizing the distance between the membrane and the surface of the electrodes. Moreover, the design complexity of such electrodes is one of the disadvantages of such a device, since it does not completely solve the problem of ohmic losses during electrolysis. This is due to the fact that a layer of high-purity water with high electrical resistance remains between the membrane and electrodes, which leads to a significant increase in the energy consumption of the process. At the same time, on the surface of the electrodes of the prototype device there is an intensive evolution of gaseous oxygen and hydrogen and, accordingly, gas filling of the cathode and anode chambers, resulting in an even more noticeable increase in the electrical resistance of water and, accordingly, an increase in the energy consumption of the process.

Также к недостаткам устройства следует отнести сложность проведения технологического процесса, заключающуюся в необходимости организации (периодического или постоянного) протока промывочного раствора через анодную камеру. При отсутствии или остановке протока в этой камере может наблюдаться концентрирование ионных примесей, уменьшение уровня жидкости вплоть до полного осушения камеры и прекращения электролиза из-за электролизного разложения воды в этой камере.Also, the disadvantages of the device include the complexity of the process, which consists in the need to organize (periodic or constant) the flow of the washing solution through the anode chamber. In the absence or stoppage of the duct in this chamber, concentration of ionic impurities can be observed, a decrease in the liquid level until the chamber is completely drained and electrolysis ceases due to the electrolysis decomposition of water in this chamber.

Задачей изобретения является создание более простого и менее энергозатратного устройства, обеспечивающего более высокую степень деоксигенации высокочистой воды.The objective of the invention is to provide a simpler and less energy-consuming device that provides a higher degree of deoxygenation of high-purity water.

Технический результат заключается в упрощении конструкции электродов и технологии деоксигенации воды, отсутствии омических потерь, и, как следствие, снижении энергозатрат, повышении степени деоксигенации высокочистой воды.The technical result consists in simplifying the design of the electrodes and the technology of deoxygenation of water, the absence of ohmic losses, and, as a result, reducing energy consumption, increasing the degree of deoxygenation of high-purity water.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для электрохимической деоксигенации высокочистой воды, включающем мембранный электролизер, состоящий по крайней мере из одной ячейки для мембранного электролиза, содержащей катодную камеру с катодом, анодную камеру с анодом, разделяющую катод и анод катионообменную мембрану, и каталитический реактор, заполненный каталитическим сорбентом и соединенный с мембранным электролизером, согласно изобретению, катодная камера образована сеткой из никеля или нержавеющей стали, прижатой к поверхности катода, анодная камера образована пористой пластиной из титана или никеля, прижатой к поверхности анода, катод выполнен в виде электронопроводящего слоя палладия, нанесенного на обращенную к катодной камере поверхность катионообменной мембраны, а анод выполнен в виде электронопроводящего слоя платины, нанесенного на противоположную, обращенную к анодной камере поверхность катионообменной мембраны. Сетка из никеля или нержавеющей стали может быть покрыта слоем палладия, а пластина из пористого металла может быть покрыта слоем платины или окислов рутения или иридия.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for electrochemical deoxygenation of high-purity water, comprising a membrane electrolyzer, consisting of at least one cell for membrane electrolysis, comprising a cathode chamber with a cathode, an anode chamber with an anode that separates the cathode and anode, a cation exchange membrane, and a catalytic a reactor filled with a catalytic sorbent and connected to a membrane electrolyzer according to the invention, the cathode chamber is formed by a grid of nickel or stainless steel, pressed to the surface of the cathode, the anode chamber is formed by a porous plate of titanium or nickel pressed to the surface of the anode, the cathode is made in the form of an electrically conductive layer of palladium deposited on the surface of the cation exchange membrane facing the cathode chamber, and the anode is made in the form of an electrically conductive layer of platinum deposited on the opposite facing the anode chamber the surface of the cation exchange membrane. A mesh of nickel or stainless steel may be coated with a layer of palladium, and a plate of porous metal may be coated with a layer of platinum or oxides of ruthenium or iridium.

Упрощение конструкции достигается тем, что вместо многослойных сетчатых электродов в мембранном электролизере предлагаемого устройства используются электроды в виде металлических слоев, нанесенных на поверхность катионообменной мембраны.The simplification of the design is achieved by the fact that instead of multilayer mesh electrodes in the membrane electrolyzer of the proposed device, electrodes are used in the form of metal layers deposited on the surface of the cation exchange membrane.

Снижение омических потерь и, как следствие, энергозатрат процесса достигается тем, что электроды в предлагаемом устройстве нанесены непосредственно на катионообменную мембрану и электродные процессы происходят непосредственно на границе фаз мембрана - пористый металлический слой. В результате между мембраной и электродом отсутствует слой воды с высоким электрическим сопротивлением и газовыделение на электродах не изменяет электрического сопротивления границ фаз мембрана - электрод.The reduction of ohmic losses and, as a consequence, the energy consumption of the process is achieved by the fact that the electrodes in the proposed device are deposited directly on the cation exchange membrane and electrode processes occur directly at the phase boundary of the membrane - porous metal layer. As a result, there is no water layer with high electrical resistance between the membrane and the electrode, and gas evolution at the electrodes does not change the electrical resistance of the membrane - electrode phase boundaries.

Упрощение технологии деоксигенации воды и удобство эксплуатации достигается за счет того, что анодная камера в предлагаемом устройстве конструктивно обеспечивает отсутствие загрязнений и, как следствие, не нуждается в промывке.Simplification of water deoxygenation technology and ease of operation is achieved due to the fact that the anode chamber in the proposed device constructively ensures the absence of contamination and, as a result, does not need to be washed.

Кроме того, в заявляемом устройстве достигается технический результат, заключающийся в повышении степени деоксигенации исходной воды за счет взаимодействия кислорода с атомарным водородом, растворенным в палладиевом электроде ячейки мембранного электролизера.In addition, in the inventive device, a technical result is achieved, which consists in increasing the degree of deoxygenation of the source water due to the interaction of oxygen with atomic hydrogen dissolved in the palladium electrode of the cell of the membrane cell.

На фигуре 1 изображен схематический вид заявляемого устройства - ячейки мембранного электролизера с последовательно подключенным каталитическим реактором.The figure 1 shows a schematic view of the inventive device - cell membrane electrolyzer with a series-connected catalytic reactor.

Ячейка мембранного электролизера 1 включает катионообменную мембрану 2, катодную камеру 3, образованную сеткой из нержавеющей стали или никеля, анодную камеру 4, образованную пористой пластиной из никеля или титана, поджимные пластины 5 и 6 из инертного непроводящего материала. Поверхность катионообменной мембраны 2 с двух сторон покрыта электронопроводящими пористыми слоями 7 и 8, выполняющими функцию катода и анода соответственно. Слои выполнены из палладия (слой 7) и платины (слой 8) методом осаждения на поверхность катионообменной мембраны 2. Сетка катодной камеры 3 по своему периметру изолирована слоем 9 герметика, например силиконовой композицией. В поджимной пластине 5 установлены два штуцера - штуцер 10 для ввода воды и штуцер 11 для вывода воды. С помощью поджимных пластин 5, 6 и шпилек 12 к слою 7 поверхности катионообменной мембраны 2 прижата катодная камера 3, выполняющая также функции токосъема и турбулизатора потока, а к слою 8 поверхности катионообменной мембраны 2 прижата анодная камера 4, выполняющая также функции токосъема и отвода кислорода от поверхности катионообменной мембраны 2 в объем анодной камеры 4. Проводники тока 13 и 14 от катодной камеры 3 и анодной камеры 4, соответственно, выведены наружу через поджимные пластины 5 и 6.The cell of the membrane electrolyzer 1 includes a cation exchange membrane 2, a cathode chamber 3 formed by a stainless steel or nickel mesh, an anode chamber 4 formed by a porous nickel or titanium plate, and compression plates 5 and 6 of an inert non-conductive material. The surface of the cation exchange membrane 2 is coated on both sides with electronically conducting porous layers 7 and 8, which perform the functions of a cathode and anode, respectively. The layers are made of palladium (layer 7) and platinum (layer 8) by the deposition method on the surface of the cation exchange membrane 2. The mesh of the cathode chamber 3 is insulated around its perimeter by a sealant layer 9, for example, a silicone composition. In the pressing plate 5, two nozzles are installed - a nozzle 10 for introducing water and a nozzle 11 for withdrawing water. Using the clamping plates 5, 6 and pins 12, the cathode chamber 3 is pressed against the layer 7 of the surface of the cation exchange membrane 2, which also performs the functions of current collector and flow turbulator, and the anode chamber 4 is pressed against the layer 8 of the surface of the cation exchange membrane 2, which also performs the functions of current collector and oxygen removal from the surface of the cation exchange membrane 2 into the volume of the anode chamber 4. Current conductors 13 and 14 from the cathode chamber 3 and the anode chamber 4, respectively, are brought out through the compression plates 5 and 6.

Для улучшения электрического контакта между слоем палладия 7 и сеткой катодной камеры 3 поверхность сетки платинируется.To improve electrical contact between the palladium layer 7 and the grid of the cathode chamber 3, the surface of the grid is platinized.

Для улучшения электрического контакта между слоем платины 8 и пористой пластиной анодной камеры 4 поверхность пластины платинируется или покрывается слоем оксидов рутения или иридия.To improve electrical contact between the platinum layer 8 and the porous plate of the anode chamber 4, the surface of the plate is plated or coated with a layer of ruthenium or iridium oxides.

Для увеличения производительности процесса в заявляемом устройстве мембранный электролизер может содержать несколько ячеек, подключенных параллельно.To increase the productivity of the process in the inventive device, the membrane cell may contain several cells connected in parallel.

Выход воды из ячейки мембранного электролизера 1 осуществляется через штуцер 11, который соединен с штуцером 15, являющимся входом каталитического реактора 16, заполненного каталитическим сорбентом 17. В качестве последнего могут использоваться промышленно выпускаемые ионообменные смолы, поверхность которых покрыта слоем палладия (типа Lewatit МС 145, Amberlyst CH28) и широко использующиеся для реализации каталитических процессов. Деоксигенированная вода выходит из каталитического реактора 16 через штуцер 18.The water outlet from the cell of the membrane electrolyzer 1 is carried out through the nozzle 11, which is connected to the nozzle 15, which is the inlet of the catalytic reactor 16, filled with a catalytic sorbent 17. As the latter, industrially produced ion-exchange resins, the surface of which is coated with a palladium layer (type Lewatit МС 145, Amberlyst CH28) and widely used for the implementation of catalytic processes. Deoxygenated water leaves the catalytic reactor 16 through the fitting 18.

Заявленное устройство работает следующим образом. Высокочистая вода через штуцер 10 поступает в ячейку мембранного электролизера 1 и заполняет катодную камеру 3. При наложении электрического поля между катодом и анодом на пористом слое палладия 7 происходят катодные электрохимические реакции:The claimed device operates as follows. High-purity water through the nozzle 10 enters the cell of the membrane electrolyzer 1 and fills the cathode chamber 3. When an electric field is applied between the cathode and the anode on the porous layer of palladium 7, cathodic electrochemical reactions occur:

- ионизации кислорода:- oxygen ionization:

Figure 00000001
Figure 00000001

- выделения водорода:- hydrogen evolution:

Figure 00000002
Figure 00000002

В результате ионизации растворенного кислорода по реакции (1) его концентрация в воде снижается. Степень снижения концентрации растворенного кислорода по реакции (1), как и в случае устройства-прототипа, во многом определяется интенсивностью перемешивания потока воды, которое в предлагаемом устройстве обеспечивается сеткой катодной камеры 3.As a result of ionization of dissolved oxygen by reaction (1), its concentration in water decreases. The degree of decrease in the concentration of dissolved oxygen by reaction (1), as in the case of the prototype device, is largely determined by the intensity of mixing of the water flow, which in the proposed device is provided by the grid of the cathode chamber 3.

Выделяющийся по реакции (2) на катодной поверхности слоя 7 водород растворяется в палладии в атомарном виде. Атомарный водород в палладии взаимодействует с растворенным кислородом с образованием молекул воды, тем самым дополнительно снижая концентрацию растворенного кислорода. Данный процесс деоксигенации воды в устройстве-прототипе не реализуется.Hydrogen released by reaction (2) on the cathode surface of layer 7 is dissolved in palladium in atomic form. Atomic hydrogen in palladium interacts with dissolved oxygen to form water molecules, thereby further reducing the concentration of dissolved oxygen. This process of deoxygenation of water in the prototype device is not implemented.

Водород, выделившийся по реакции (2) на катодной поверхности слоя 7 и не успевший прореагировать с растворенным кислородом, переходит в высокочистую воду в молекулярном виде. Далее водород вместе с остаточным количеством растворенного в воде кислорода выносится с потоком из ячейки мембранного электролизера 1 и поступает в каталитический реактор 16, в котором на поверхности каталитического сорбента 17 происходит взаимодействие растворенных в воде кислорода и водорода.Hydrogen released by reaction (2) on the cathode surface of layer 7 and did not have time to react with dissolved oxygen, passes into high-purity water in molecular form. Then, hydrogen, together with the residual amount of oxygen dissolved in water, is carried out with a stream from the cell of the membrane electrolyzer 1 and enters the catalytic reactor 16, in which oxygen and hydrogen dissolved in water react on the surface of the catalytic sorbent 17.

Ток в ячейке мембранного электролизера 1 выбирается исходя из условия образования стехиометрического количества водорода по отношению к содержанию кислорода в исходной воде.The current in the cell of the membrane electrolyzer 1 is selected based on the conditions for the formation of a stoichiometric amount of hydrogen with respect to the oxygen content in the source water.

На пористом слое платины 8 происходит анодная электрохимическая реакция выделения газообразного кислорода:On the porous layer of platinum 8, an anodic electrochemical reaction of oxygen gas evolution occurs:

Figure 00000003
Figure 00000003

При этом электролизу подвергается вода, диффундирующая из катодной камеры 3 через катионообменную мембрану 2 и находящаяся на границе фаз мембрана 2 - пористый слой платины 8. Газообразный кислород выделяется в объем анодной камеры 4, не влияя при этом на омическое сопротивление устройства, что обеспечивает отсутствие газонаполнения, характерного для устройства-прототипа.In this case, water undergoes electrolysis, diffusing from the cathode chamber 3 through the cation exchange membrane 2 and the membrane 2 located at the phase boundary is a porous layer of platinum 8. Gaseous oxygen is released into the volume of the anode chamber 4, without affecting the ohmic resistance of the device, which ensures no gas filling characteristic of the prototype device.

Нанесение электронопроводящих слоев палладия 7 и платины 8 на поверхность катионообменной мембраны 2 проводилось методом химического осаждения. Выбор указанных материалов слоев обусловлен высокой химической стойкостью платины и палладия при их работе в качестве анодов и катодов в высокочистой воде, а также высокой растворимостью водорода в палладии. Для нанесения электронопроводящего слоя платины или палладия использовалась следующая методика, состоящая из двух стадий - нанесение каталитического подслоя и нанесение электронопроводящего слоя.The application of electron-conducting layers of palladium 7 and platinum 8 on the surface of the cation exchange membrane 2 was carried out by chemical deposition. The choice of these layer materials is due to the high chemical resistance of platinum and palladium when they work as anodes and cathodes in high-purity water, as well as the high solubility of hydrogen in palladium. To apply an electronically conductive layer of platinum or palladium, the following technique was used, which consists of two stages - applying a catalytic sublayer and applying an electronically conductive layer.

Для нанесения каталитического подслоя катионообменная мембрана вымачивалась в течение 1-2 часов в воде для набухания. После этого на поверхность мембраны наносился каталитический подслой. Для этого поверхность мембраны на 20 минут приводилась в контакт с раствором следующего состава:To apply a catalytic sublayer, the cation exchange membrane was soaked for 1-2 hours in water for swelling. After that, a catalytic sublayer was deposited on the membrane surface. For this, the membrane surface was brought into contact with a solution of the following composition for 20 minutes:

хлористый палладий - 5 г/л;palladium chloride - 5 g / l;

гидроксид аммония - 100 г/л.ammonium hydroxide - 100 g / l.

После чего поверхность мембраны промывалась водой и приводилась на 1 минуту в контакт с раствором гидразина (100 г/л), нагретым до 80°С. В результате на поверхности мембраны образовывался каталитический подслой.After that, the membrane surface was washed with water and brought into contact for 1 minute with a solution of hydrazine (100 g / l) heated to 80 ° C. As a result, a catalytic sublayer was formed on the membrane surface.

Для нанесения пористого электронопроводящего слоя палладия поверхность мембраны с нанесенным каталитическим подслоем приводилась в контакт с раствором следующего состава:To apply a porous electrically conductive palladium layer, the surface of the membrane with a supported catalytic sublayer was brought into contact with a solution of the following composition:

хлористый палладий - 4 г/л;palladium chloride - 4 g / l;

гидроксид аммония (25%) - 300 мл/л;ammonium hydroxide (25%) - 300 ml / l;

трилон Б - 12 г/л;Trilon B - 12 g / l;

гидразин - 2 г/л (вводился в раствор непосредственно перед его применением).hydrazine - 2 g / l (introduced into the solution immediately before use).

Температура раствора - 20°С. Время контакта поверхности мембраны с раствором - 2-4 часа. Меньшее время контакта приводит к образованию электронопроводящего слоя с высоким электрическим сопротивлением. Большее время контакта приводит к образованию непористого слоя палладия, который препятствует переносу ионов через мембрану.The temperature of the solution is 20 ° C. The contact time of the membrane surface with the solution is 2-4 hours. A shorter contact time leads to the formation of an electrically conductive layer with high electrical resistance. A longer contact time leads to the formation of a non-porous layer of palladium, which prevents the transfer of ions through the membrane.

Для нанесения пористого электронопроводящего слоя платины поверхность мембраны с нанесенным каталитическим подслоем палладия приводилась в контакт с раствором следующего состава:To apply a porous electrically conductive layer of platinum, the surface of the membrane with the applied catalytic sublayer of palladium was brought into contact with a solution of the following composition:

гексахлорплатинат аммония - 40 г/л;ammonium hexachloroplatinate - 40 g / l;

аммоний хлористый - 320 г/л.ammonium chloride - 320 g / l.

Температура раствора - 50°С. Время контакта поверхности мембраны с раствором - 2-4 часа. Меньшее время контакта приводит к образованию электронопроводящего слоя с высоким электрическим сопротивлением. Большее время контакта приводит к образованию непористого слоя платины, который препятствует переносу ионов через мембрану.The temperature of the solution is 50 ° C. The contact time of the membrane surface with the solution is 2-4 hours. A shorter contact time leads to the formation of an electrically conductive layer with high electrical resistance. A longer contact time leads to the formation of a non-porous layer of platinum, which prevents the transfer of ions through the membrane.

Эффективность работы предлагаемого устройства подтверждена следующими примерами. Следует отметить, что возможность использования предлагаемого устройства не ограничивается условиями, реализованными в примерах.The effectiveness of the proposed device is confirmed by the following examples. It should be noted that the possibility of using the proposed device is not limited to the conditions implemented in the examples.

Пример 1. Ячейка мембранного электролизера, приведенная на фигуре 1, включала перфторированную катионообменную мембрану МФ-4СК (толщина 0.15 мм, рабочие размеры 40×200 мм). На мембрану нанесены электронопроводящие пористые слои: палладия (со стороны катодной камеры) и платины (со стороны анодной камеры). Катодная камера (рабочие размеры 1.7×40×200 мм) образовывалась сеткой из нержавеющей стали (размер 40×200 мм, толщина 1.7 мм, размер ячейки сетки 1×1 мм), периметр которой герметизировался силиконовой композицией. Анодная камера образовывалась пластиной из пористого титана (размер 40×200 мм, толщина 1 мм). Ячейка мембранного электролизера собиралась путем стягивания с помощью инертных пластин сетки из нержавеющей стали (катодная камера), катионообменной мембраны и пластины из пористого титана (анодная камера).Example 1. The cell of the membrane electrolyzer, shown in figure 1, included a perfluorinated cation exchange membrane MF-4SK (thickness 0.15 mm, working dimensions 40 × 200 mm). Electrically conductive porous layers are deposited on the membrane: palladium (from the side of the cathode chamber) and platinum (from the side of the anode chamber). The cathode chamber (working dimensions 1.7 × 40 × 200 mm) was formed by a stainless steel mesh (size 40 × 200 mm, thickness 1.7 mm, mesh mesh size 1 × 1 mm), the perimeter of which was sealed with a silicone composition. The anode chamber was formed by a plate of porous titanium (size 40 × 200 mm, thickness 1 mm). The cell of the membrane electrolyzer was assembled by tightening with an inert plate a stainless steel grid (cathode chamber), a cation exchange membrane and a porous titanium plate (anode chamber).

В катодную камеру с расходом 110 л/час подавалась высокочистая вода с удельной электропроводностью 0,075 мкСм/см и концентрацией растворенного кислорода 8.3 мг/л. На ячейку подавался ток 4.1 А. Напряжение на ячейке составляло 2.2 В. Через 30 минут после включения тока концентрация кислорода, измеренная на выходе из ячейки, стабилизировалась и составила 5,0 мг/л. В результате проведенного эксперимента концентрация растворенного кислорода уменьшилась на 40%. Удельная электропроводность финишной воды - 0,075 мкСм/см.High purity water with a specific conductivity of 0.075 μS / cm and a dissolved oxygen concentration of 8.3 mg / L was supplied to the cathode chamber with a flow rate of 110 l / h. A current of 4.1 A was applied to the cell. The voltage at the cell was 2.2 V. 30 minutes after turning on the current, the oxygen concentration measured at the outlet of the cell stabilized and amounted to 5.0 mg / L. As a result of the experiment, the concentration of dissolved oxygen decreased by 40%. The conductivity of the finishing water is 0.075 μS / cm.

Пример 2. В условиях эксперимента 1: высокочистая вода (со следующими параметрами: удельная электропроводность 0,075 мкСм/см, концентрация растворенного кислорода 8.3 мг/л, расход 110 л/ч) последовательно подавалась на мембранный электролизер, аналогичный описанному в примере 1, и на каталитический реактор, представляющий собой цилиндрическую колонку (диаметр 50 мм, высота 400 мм), заполненную ионообменной смолой типа Lewatit MC. Объем смолы в реакторе - 0,8 л. Через 120 минут после включения тока (сила тока 4.1 А, напряжение 2.2 В) концентрация растворенного кислорода, измеренная на выходе из каталитического реактора, стабилизировалась и не превышала 0,010 мг/л. Таким образом при реализации Примера 2 концентрация растворенного кислорода в финишной воде снижалась более чем на 99,9%, при этом удельная электропроводность осталась на уровне 0,075 мкСм/см.Example 2. In experiment 1: high-purity water (with the following parameters: specific conductivity 0.075 μS / cm, dissolved oxygen concentration 8.3 mg / l, flow rate 110 l / h) was sequentially fed to a membrane electrolyzer similar to that described in example 1, and a catalytic reactor, which is a cylindrical column (diameter 50 mm, height 400 mm), filled with ion exchange resin type Lewatit MC. The volume of resin in the reactor is 0.8 liters. 120 minutes after turning on the current (current strength 4.1 A, voltage 2.2 V), the concentration of dissolved oxygen measured at the outlet of the catalytic reactor stabilized and did not exceed 0.010 mg / L. Thus, when implementing Example 2, the concentration of dissolved oxygen in the finishing water decreased by more than 99.9%, while the conductivity remained at the level of 0.075 μS / cm.

Claims (3)

1. Устройство для электрохимической деоксигенации высокочистой воды, включающее мембранный электролизер, состоящий по крайней мере из одной ячейки для мембранного электролиза, содержащей катодную камеру с катодом, анодную камеру с анодом, разделяющую катод и анод катионообменную мембрану и каталитический реактор, соединенный с мембранным электролизером, отличающееся тем, что катодная камера образована сеткой из никеля или нержавеющей стали, прижатой к поверхности катода, анодная камера образована пористой пластиной из титана или никеля, прижатой к поверхности анода, катод выполнен в виде электронопроводящего слоя палладия, нанесенного на поверхность катионообменной мембраны, обращенную к катодной камере, а анод выполнен в виде электронопроводящего слоя платины, нанесенного на противоположную поверхность катионообменной мембраны, обращенную к анодной камере.1. Device for electrochemical deoxygenation of high-purity water, comprising a membrane electrolyzer, consisting of at least one cell for membrane electrolysis, comprising a cathode chamber with a cathode, an anode chamber with an anode separating the cathode and anode, a cation-exchange membrane, and a catalytic reactor connected to the membrane electrolyzer, characterized in that the cathode chamber is formed by a mesh of nickel or stainless steel pressed against the surface of the cathode, the anode chamber is formed by a porous plate of titanium or nickel When pressed against the surface of the anode, the cathode is made in the form of an electrically conductive palladium layer deposited on the surface of the cation exchange membrane facing the cathode chamber, and the anode is made in the form of an electrically conductive layer of platinum deposited on the opposite surface of the cation exchange membrane facing the anode chamber. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сетка из никеля или нержавеющей стали покрыта слоем палладия.2. The device according to claim 1, characterized in that the mesh of nickel or stainless steel is coated with a layer of palladium. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пористая пластина из титана или никеля покрыта слоем платины или окислов рутения или иридия. 3. The device according to claim 1, characterized in that the porous plate of titanium or nickel is coated with a layer of platinum or oxides of ruthenium or iridium.
RU2012114642/05A 2012-04-12 2012-04-12 Device for electrochemical deoxygenation of highly pure water RU2494974C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012114642/05A RU2494974C1 (en) 2012-04-12 2012-04-12 Device for electrochemical deoxygenation of highly pure water

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012114642/05A RU2494974C1 (en) 2012-04-12 2012-04-12 Device for electrochemical deoxygenation of highly pure water

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2494974C1 true RU2494974C1 (en) 2013-10-10

Family

ID=49302913

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012114642/05A RU2494974C1 (en) 2012-04-12 2012-04-12 Device for electrochemical deoxygenation of highly pure water

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2494974C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU360951A1 (en) * 1971-04-06 1972-12-07 METHOD OF DEAERATION OF FOOD LIQUIDS
SU814882A1 (en) * 1979-02-26 1981-03-23 Ивановский Энергетический Институтим. B.И.Ленина Electrochemical method of oxygen removal from water
SU836224A1 (en) * 1978-12-26 1981-06-07 Воронежский Ордена Ленина Государственныйуниверситет Им. Ленинского Комсомола Device for oxygen removal from water
SU1116018A1 (en) * 1981-12-23 1984-09-30 Научно-Исследовательский Институт Санитарной Техники И Оборудования Зданий И Сооружений Device for electrochemical dehydration of water
EP0276789A2 (en) * 1987-01-26 1988-08-03 S.E.R.E. S.r.l. Electrochemical deoxygenation process for corrosion control in deionized waters
RU2047669C1 (en) * 1992-07-28 1995-11-10 Иркутский государственный научно-исследовательский институт редких и цветных металлов Electrolyzer for disoxidation via solution

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU360951A1 (en) * 1971-04-06 1972-12-07 METHOD OF DEAERATION OF FOOD LIQUIDS
SU836224A1 (en) * 1978-12-26 1981-06-07 Воронежский Ордена Ленина Государственныйуниверситет Им. Ленинского Комсомола Device for oxygen removal from water
SU814882A1 (en) * 1979-02-26 1981-03-23 Ивановский Энергетический Институтим. B.И.Ленина Electrochemical method of oxygen removal from water
SU1116018A1 (en) * 1981-12-23 1984-09-30 Научно-Исследовательский Институт Санитарной Техники И Оборудования Зданий И Сооружений Device for electrochemical dehydration of water
EP0276789A2 (en) * 1987-01-26 1988-08-03 S.E.R.E. S.r.l. Electrochemical deoxygenation process for corrosion control in deionized waters
RU2047669C1 (en) * 1992-07-28 1995-11-10 Иркутский государственный научно-исследовательский институт редких и цветных металлов Electrolyzer for disoxidation via solution

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4416747A (en) Process for the synthetic production of ozone by electrolysis and use thereof
CN1303253C (en) Electrolytic cell and method for electrolysis
CA2915763C (en) Electrolytic enrichment method for heavy water
JP3048612B2 (en) Electrolytic ozone generator
RU2718872C2 (en) Water treatment system using device for electrolysis of aqueous solution of alkali and alkaline fuel cell
JP3007137B2 (en) Electrolytic ozone generation method and apparatus
JP2000104189A (en) Production of hydrogen peroxide and electrolytic cell for production
JP2018150596A (en) Organic substance production system and manufacturing method thereof
US4613416A (en) Process for the concentration of sulfuric acid
RU2393997C2 (en) Device and method for reducing chemical oxygen demand (cod) of waste water through electrochemical oxidation
RU2494974C1 (en) Device for electrochemical deoxygenation of highly pure water
CN1275535A (en) Acid/alkali electrolytic separator
JP3493242B2 (en) Method and apparatus for electrochemical recovery of nitrate
CN113666367B (en) Electrolytic tank for preparing graphite intercalation and preparation method of graphite intercalation
CN102839383B (en) Method for preparing organic acid by electrolyzing organic acid salt on basis of chlor-alkali perfluor ion exchange membrane
CN201793761U (en) Membrane electrolytic tank for electrolyzing gold in cyanide pregnant solution
JPH08246178A (en) Electrochemical recovering method of salts and device therefor
Gurskii et al. Catalytic deoxygenation of high-purity water using membrane electrode units
FI82078B (en) ELEKTROKEMISKT AVLAEGSNANDE AV HYPOKLORITER UR KLORATCELLOESNINGAR.
RU2438766C1 (en) Method of producing biologically active drinking water with reduced content of deuterium
CN105887123A (en) Method for preparing PdCl2
JP3264535B2 (en) Gas electrode structure and electrolysis method using the gas electrode structure
JP6847477B1 (en) Electrolyzed water production equipment and method for producing electrolyzed water using this
RU2505625C2 (en) Method of producing graphite electrodes with coating, preferably of noble metals, for electrolytic processes, especially for hydrochloric acid electrolytes
CN212335350U (en) Device for regenerating noble metal electroplating solution by membrane electrolysis method