RU2813880C1

RU2813880C1 - Electroionite apparatus

Info

Publication number: RU2813880C1
Application number: RU2023116990A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Лазарев; Дмитрий Николаевич Коновалов; Максим Игоревич Михайлин; Ирина Владимировна Хорохорина; Ольга Сергеевна Филимонова
Filing date: 2023-06-28
Publication date: 2024-02-19

Abstract

FIELD: electricity; various technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to designs of electrodialyzers with ion-conducting filler used for separation, concentration and purification of low-mineralized solutions. Distinctive feature of the electro-ionite apparatus is that the desalting and concentration chambers are divided into the first and second chambers by the housing partition, and ion-exchange resin is placed in concentration chambers. Overflow channels are equipped with turbulence nozzles, and the covers of the apparatus have a shape with protrusions for sealing the ion-exchange resin; at that, the membrane holders are inserted into the slots and fixed by the covers.

EFFECT: increased efficiency and quality of separation of low-mineralized solution, provision of turbulence in chambers, reduced electric resistance of the apparatus and reduced concentration polarization, simple assembly and maintenance.

1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к конструкциям электродиализаторов с ионопроводящем наполнителем, используемых для разделения, концентрирования, очистки слабоминерализованных растворов в химической, машиностроительной, пищевой, фармацевтической промышлености, аграрном секторе и т.д.The invention relates to the designs of electrodialyzers with ion-conducting filler, used for separation, concentration, purification of weakly mineralized solutions in the chemical, engineering, food, pharmaceutical industries, agricultural sector, etc.

Аналогом данной конструкции является электроионитный аппарат, представленный в авторском свидетельстве СССР №701655, В01D 13/02, 1977. Он представляет собой трехкамерный аппарат, в котором по очередности расположены камеры концентрирования, заполненные электрохимически нейтральным материалом, и камеры обессоливания с рамкой для заполнения ионообменной смолой. Недостатками конструкции являются сложность сборки и загрузки ионообменной смолы в камеры обессоливания, низкая производительность и качество слабоминерализованного разделяемого (исходного) раствора, высокие энергозатраты на разделение слабоминерализованных растворов. Эти недостатки частично устранены в прототипе.An analogue of this design is the electroion exchange apparatus, presented in the USSR author's certificate No. 701655, B01D 13/02, 1977. It is a three-chamber apparatus in which concentration chambers filled with electrochemically neutral material and desalting chambers with a frame for filling with ion-exchange resin are located in turn. . The disadvantages of the design are the complexity of assembling and loading the ion exchange resin into the desalting chambers, low productivity and quality of the low-mineralized separated (initial) solution, and high energy costs for separating low-mineralized solutions. These shortcomings are partially eliminated in the prototype.

Прототипом данной конструкции является электроионитный аппарат, конструкция которого приведена в патенте RU 2090251 С1, B01D 61/48, 20.09.1997. Прототип состоит из плоских последовательно расположенных камер концентрирования, обессоливания и двух электродных камер. Камеры концентрирования и обессоливания образованы чередующимися анионообменными и катионообменными мембранами, камеры обессоливания содержат рамки для ионообменной смолы.The prototype of this design is an electroion exchange device, the design of which is given in patent RU 2090251 C1, B01D 61/48, 09.20.1997. The prototype consists of flat sequential chambers for concentration, desalting and two electrode chambers. The concentration and desalting chambers are formed by alternating anion-exchange and cation-exchange membranes; the desalting chambers contain frames for the ion-exchange resin.

Недостатками прототипа являются: низкая производительность и качество разделения слабоминерализованного раствора, отсутствие турбулизации, повышенное электросопротивление аппарата и высокая концентрационная поляризация в камерах обессоливания, сложность конструкции и обслуживания.The disadvantages of the prototype are: low productivity and quality of separation of low-mineralized solution, lack of turbulization, increased electrical resistance of the apparatus and high concentration polarization in desalting chambers, complexity of design and maintenance.

Технический результат выражается повышением производительности и качества разделения слабоминерализованного раствора, турбулизацией в камерах, уменьшением электросопротивления аппарата и снижением концентрационной поляризации, простотой сборки и обслуживания, за счет того, что аппарат состоит из плоских последовательно расположенных камер концентрирования и обессоливания, камеры концентрирования и обессоливания образованы чередующимися анионообменными и катионообменными мембранами, камеры обессоливания содержат рамки для ионообменной смолы, отличающийся тем, что камеры обессоливания и концентрирования разделены на первую и вторую камеры перегородкой корпуса, в камерах концентрирования размещена ионообменная смола, переточные каналы снабжены соплами-турбулизаторами, крышки аппарата имеют форму с выступами для уплотнения ионообменной смолы, а мембранодержатели вставлены в пазы и зафиксированы крышками.The technical result is expressed by an increase in productivity and quality of separation of a low-mineralized solution, turbulization in the chambers, a decrease in the electrical resistance of the apparatus and a decrease in concentration polarization, ease of assembly and maintenance, due to the fact that the apparatus consists of flat sequential concentration and desalting chambers, the concentration and desalting chambers are formed by alternating anion-exchange and cation-exchange membranes, the desalting chambers contain frames for the ion-exchange resin, characterized in that the desalting and concentration chambers are divided into the first and second chambers by a housing partition, the ion-exchange resin is placed in the concentration chambers, the flow channels are equipped with turbulator nozzles, the covers of the apparatus are shaped with protrusions to seal the ion exchange resin, and the membrane holders are inserted into the grooves and secured with lids.

На фиг. 1 изображена 3-D модель электроионитного аппарата; фиг. 2 – вид слева; фиг. 3 – вид сверху; фиг. 4 – разрез А-А; фиг. 5 – разрез Б-Б; фиг. 6 – разрез В-В, фиг. 7 – выносной элемент Г, камеры, заполненные ионообменной смолой.In fig. 1 shows a 3-D model of an electroion exchange apparatus; fig. 2 – left view; fig. 3 – top view; fig. 4 – section А-А; fig. 5 – section B-B; fig. 6 – section B-B, fig. 7 – remote element G, chambers filled with ion exchange resin.

Электроионитный аппарат состоит из корпуса 1 с перегородкой, верхней крышки 2 и нижней крышки 3 с выступами, штуцера 4 подачи раствора для концентрирования, штуцера 5 отвода концентрата, каналов 6, 7 подачи раствора для концентрирования в камеру концентрирования, каналов 8, 9 отвода концентрата из камеры концентрирования, сопла 10 каналов раствора концентрата для создания турбулентных потоков и предотвращения сопутствующего уносу ионообменной смолы, паза 11 для мембранодержателя, уплотнительной прокладки 12 крышек, переточного канала 13 дилюата, сопла 14 переточных каналов дилюата, переточного канала 15 концентрата, штуцера 16 подачи исходного раствора, штуцера 17 отвода дилюата, канала 18 подачи исходного раствора, канала 19 подачи исходного раствора в камеры разделения, сопла 20 каналов дилюата, каналов 21, 22 отвода дилюата из камеры обессоливания, сопла 23 отвода и предотвращения уноса смолы из камеры разделения, сопла 24 переточного канала концентрата, катода 25, анода 26, первой камеры 27 концентрирования, заполненной ионообменной смолой, прижимной гайки 28, прижимной шайбы 29, уплотнительного кольца 30 для герметизации выводов электродов, первой камеры 31 обессоливания, заполненной ионообменной смолой, катионообменной мембраны 32, анионообменной мембраны 33, верхнего уплотнителя 34 держателя мембраны, нижнего держателя 35 ионообменной мембраны, второй камеры 36 обессоливания, второй камеры 37 концентрирования.The electroion exchange apparatus consists of a housing 1 with a partition, an upper cover 2 and a lower cover 3 with protrusions, a fitting 4 for supplying a solution for concentration, a fitting 5 for discharging the concentrate, channels 6, 7 for supplying a solution for concentration into the concentration chamber, channels 8, 9 for discharging the concentrate from concentration chambers, nozzles 10 channels of the concentrate solution to create turbulent flows and prevent the accompanying entrainment of the ion exchange resin, groove 11 for the membrane holder, sealing gasket 12 covers, diluate transfer channel 13, nozzle 14 diluate transfer channels, concentrate transfer channel 15, initial solution supply fitting 16 , fitting 17 for diluate removal, channel 18 for supplying the initial solution, channel 19 for supplying the initial solution to the separation chambers, nozzle 20 for diluate channels, channels 21, 22 for removing diluate from the desalting chamber, nozzle 23 for removing and preventing resin from being carried away from the separation chamber, transfer nozzle 24 concentrate channel, cathode 25, anode 26, first concentration chamber 27 filled with ion-exchange resin, clamping nut 28, clamping washer 29, O-ring 30 for sealing the electrode leads, first desalting chamber 31 filled with ion-exchange resin, cation-exchange membrane 32, anion-exchange membrane 33 , the upper seal 34 of the membrane holder, the lower ion exchange membrane holder 35, the second desalting chamber 36, the second concentration chamber 37.

Корпус 1, крышки аппарата 2 и 3 могут быть изготовлены из полимерных диэлектрических материалов.The housing 1 and the covers of the apparatus 2 and 3 can be made of polymer dielectric materials.

Мембранодержатели 33 и 34 – из термопластичных эластомеров.Membrane holders 33 and 34 are made of thermoplastic elastomers.

Электроды могут быть выполнены из ОИРТА.Electrodes can be made of OIRTA.

Принцип работы аппарата основан на совмещении процесса электродиализа и ионного обмена. The operating principle of the device is based on combining the process of electrodialysis and ion exchange.

Аппарат работает следующим образом.The device works as follows.

Исходный раствор для разделения подается в штуцер 16 подачи исходного раствора, фиг. 1, 2, 3, 4, 6, далее по каналу 18 подачи исходного раствора направляется в каналы 19 подачи исходного раствора в камеры разделения и через сопло 20 каналов дилюата в турбулизированном потоке поступает в первую камеру 31 обессоливания, где ионы оседают на ионообменной смоле, фиг. 7, и под действием электрического тока транспортируются к катионообменной мембране 32 и анионообменной мембране 33, в свою очередь транспорт ионов через мембраны обусловлен ионообменной селективностью мембран, затем обессоленный раствор поступает в сопло 14 переточных каналов дилюата, фиг. 4, 5, 6, которое предотвращает унос ионообменной смолы, после подается в переточной канал 13 дилюата, фиг. 4, 5, откуда поступает во вторую камеру 36 обессоливания для полного удаления ионов из слабоминерализованных растворов, далее раствор поступает в сопло 23 отвода и предотвращения уноса ионообменной смолы, откуда по каналам 21, 22 отвода дилюата из камеры обессоливания отводится к штуцеру 17 отвода дилюата. Одновременно с подачей исходного раствора на разделение в штуцер 4 подачи раствора для концентрирования подается раствор для концентрирования, затем по каналам 6, 7 подачи раствора для концентрирования в камеру концентрирования поступает в сопло 10 каналов раствора концентрата для создания турбулентных потоков и предотвращения сопутствующего уносу ионообменной смолы, и далее в турбулентном потоке распределяется по первой камере 27 концентрирования, откуда концентрат первой ступени поступает через сопло 24 переточного канала концентрата, фиг. 1, 4, 6, и переточной канал 15 концентрата во вторую камеру 37 концентрирования, и далее отводится через сопло 10 каналов раствора концентрата для создания турбулентных потоков и предотвращения сопутствующего уносу ионообменной смолы и каналы 8, 9 отвода концентрата из камеры концентрирования к штуцеру 5 отвода концентрата.The initial solution for separation is supplied to the nozzle 16 for supplying the initial solution, FIG. 1, 2, 3, 4, 6, then through channel 18 for supplying the initial solution it is sent to channels 19 for supplying the initial solution to the separation chambers and through the nozzle 20 of the diluate channels in a turbulent flow it enters the first desalting chamber 31, where the ions are deposited on the ion exchange resin, fig. 7, and under the influence of an electric current are transported to the cation-exchange membrane 32 and the anion-exchange membrane 33, in turn, the transport of ions through the membranes is due to the ion-exchange selectivity of the membranes, then the desalted solution enters the nozzle 14 of the diluate transfer channels, FIG. 4, 5, 6, which prevents the carryover of the ion exchange resin, is then fed into the diluate transfer channel 13, FIG. 4, 5, from where it enters the second desalting chamber 36 to completely remove ions from weakly mineralized solutions, then the solution enters the outlet nozzle 23 and prevents the entrainment of the ion-exchange resin, from where, through channels 21, 22 for removing the diluate from the desalting chamber, it is diverted to the diluate outlet fitting 17. Simultaneously with the supply of the initial solution for separation, a solution for concentration is supplied to the fitting 4 for supplying the solution for concentration, then through channels 6, 7 for supplying the concentration solution into the concentration chamber, 10 channels of the concentrate solution enter the nozzle to create turbulent flows and prevent the accompanying entrainment of the ion exchange resin, and then in a turbulent flow it is distributed throughout the first concentration chamber 27, from where the first stage concentrate enters through the nozzle 24 of the concentrate transfer channel, FIG. 1, 4, 6, and the transfer channel 15 of the concentrate into the second concentration chamber 37, and then the concentrate solution channels are discharged through the nozzle 10 to create turbulent flows and prevent the accompanying entrainment of the ion exchange resin and channels 8, 9 for removing the concentrate from the concentration chamber to the outlet fitting 5 concentrate.

Повышение производительности и качества разделения слабоминерализованного раствора, турбулизация в камерах, уменьшение электросопротивления аппарата и снижение концентрационной поляризации достигается за счёт того, что камеры обессоливания и концентрирования разделены на первую и вторую камеры перегородкой корпуса, в камерах концентрирования размещена ионообменная смола, переточные каналы снабжены соплами-турбулизаторами, за счёт формы крышек с выступами происходит уплотнение ионообменной смолы при сборке и обслуживании, что приводит к большему числу ионопроводимых частиц на единицу аппарата.Increasing the productivity and quality of separation of a low-mineralized solution, turbulization in the chambers, reducing the electrical resistance of the apparatus and reducing concentration polarization is achieved due to the fact that the desalting and concentration chambers are divided into the first and second chambers by a housing partition, an ion-exchange resin is placed in the concentration chambers, and the flow channels are equipped with nozzles - turbulators, due to the shape of the covers with protrusions, the ion exchange resin is compacted during assembly and maintenance, which leads to a greater number of ion-conducting particles per unit of apparatus.

Простота сборки и обслуживания достигается за счет того, что мембранодержателями вставляются в пазы и фиксируются крышками.Simplicity of assembly and maintenance is achieved due to the fact that membrane holders are inserted into grooves and fixed with covers.

Claims

An electroion exchange apparatus consisting of flat sequential concentration and desalting chambers, the concentration and desalting chambers are formed by alternating anion-exchange and cation-exchange membranes, the desalting chambers contain frames for ion-exchange resin, characterized in that the desalting and concentration chambers are divided into the first and second chambers by a housing partition, in The concentration chambers contain an ion-exchange resin, the transfer channels are equipped with turbulator nozzles, the lids of the apparatus are shaped with protrusions to seal the ion-exchange resin, and the membrane holders are inserted into grooves and secured with lids.