Электролизер для очистки воды

 

Сущность изобретения: электролизер содержит корпус-катод, выполненный из полого металлического цилиндра с торцовыми крышками, к которым подсоединены патрубки подачи и отвода обрабатываемой воды. Корпус установлен горизонтально, с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. Внутри корпуса размещена кассета из токопроводящего материала и соединена с положительным источником тока . В полости кассеты расположена анодорастворимая засыпка, Кассета состоит из перфорированного барабана, обтянутого изолирующей диафрагмой, и закрыта торцовыми крышками, В корпусе коаксиально установлена дополнительная перфорированная цилиндрическая перегородка с диафрагмой , закрепленной на внутренней поверхности перегородки. В полости, образованной корпусом и дополнительной перегородкой , размещена металлическая стружка. Дополнительная перегородка выполнена токопроводной и соединена через корпус с отрицательным источником тока. По периметру внутренней цилиндрической поверхности корпуса и кассеты расположены кольцевые камеры и с проницаемой поверхностью . Полости этих камер соединены при помощи ряда трубок с эжектором, расположенном на патрубке. На трубках установлены дополнительные эжекторы. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1828846 А1 (5l)5 С 02 F 1/46

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ

СО

ЬЭ

1 0(р

iQ) Д (3л (21) 4842920/26 (22) 29.03.90 (46) 23.07.93. Бюл, М 27 (71) Украинский институт инженеров водного хозяйства (72) Я.А.Боровой, В.М,Егоров и В.Л.Филипчук (56) Авторское свидетельство СССР

М 1775369, кл. С 02 F 1/46, 1989, (54) ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ (57) Сущность изобретения; электролизер содержит корпус-катод, выполненный из полого металлического цилиндра с торцовыми крышками, к которым подсоединены патрубки подачи и отвода обрабатываемой воды. Корпус установлен горизонтально, с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, Внутри корпуса размещена кассета из токопроводящего материала и соединена с положительным источником тоИзобретение относится к электрохимической очистке природных и сточных вод, в частности, к конструкции электролизера с засыпными электродами.

Цель изобретения — повышение производительности и снижение расхода электроэнергии на очистку.

На фиг.1 изображен электролизер, общий вид; на фиг.2 — разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 — разрез В-В на фиг.1.

Электролизер содержит корпус-катод 1, выполненный из полого металлического цилиндра с торцовыми крышками 2. Корпус 1 снабжен патрубками подачи 3 и отвода 4 обрабатываемой воды. Корпус 1 установлен ка. В полости кассеты расположена анодорастворимая засыпка, Кассета состоит из перфорированного барабана, обтянутого изолирующей диафрагмой, и закрыта торцовыми крышками. В корпусе коаксиально установлена дополнительная перфорированная цилиндрическая перегородка с диафрагмой. закрепленной на внутренней поверхности перегородки. В полости, образованной корпусом и дополнительной перегородкой, размещена металлическая стружка. Дополнительная перегородка выполнена токопроводной и соединена через корпус с отрицательным источником тока.

По периметру внутренней цилиндрической поверхности корпуса и кассеты расположены кольцевые камеры и с проницаемой поверхностью. Полости этих камер соединены при помощи ряда трубок с эжектором, расположенном на патрубке. На трубках установлены дополнительные зжекторы. 3 з.п, ф-лы, 3 ил. горизонтально с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси при помощи привода (на чертежах не показан). Внутри корпуса 1 размещена кассета из токопроводящего материала, соединенная с положительным источником тока. В полости кассеты расположен анодорастворимый материал 5 (например, стружечная загрузка), при этом кассета состоит из перфорированного барабана 7, обтянутого изолирующей диафрагмой 1, и закрыта торцовыми крышками 8. В корпусе 1 коаксиально установлена дополнительная перфорированная цилиндрическая перегородка 9 с диафрагмой 10. закрепленной на внутренней повер1828846 хности перегородки при помощи, например, упругих вкладышей 11 (резина армированная стальной проволокой). Причем кассета закреплена с эксцентриситетом в полости перегородки 9 и диафрагма на поверхности кассеты закреплена при помощи упругих манжет 12 (резина армированная стальной проволокой).

Вкладыши 11 и манжеты 12 смещены относительно друг друга и расстояние между вкладышами и между манжетами увеличивается по мере приближения к патрубку 4 отвода обрабатываемой воды.

В кольцевой полости 13, образованной корпусом 1 и дополнительной перегородкой

9, размещена металлическая стружка 14, например, амфотерного металла (алюминийсодержащая стружка и т.д,). При этом между перегородкой 9 и водопроницаемой поверхностью образуется кольцевая проточная камера 15. Дополнительная перфорированная перегородка 9 выполнена токопроводной и соединена через .корпус 1 с отрицательным источником тока, (на чертежах не показан) проточная камера 15 соединена с дополнительными камерами 16.

По периметру внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 и кассеты расположены кольцевые камеры 17, 18 с проницаемой поверхностью, например, сетка и т.п.

Полости этих камер соединены с эжектором 19, расположенном на патрубке 3 подачи обрабатываемой воды. Эжектор

19 соединен при помощи патрубка 20, снабженного вентилем 21, с атмосферой, Кольцевые камеры 17, 18 соединены с эжектором 19 при помощи ряда трубок 22 и 23, соединенных с кольцевыми камерами по их периметру. На трубках установлены дополнительные эжекторы 24 и 25. Они связаны при помощи патрубков 26 и 27, снабженных вентилями 28 и 29, с источником газа, например, атмосферой. Кольцевые камеры 17 и 18 смещены вдоль поверхностей элементов 1 и 6, по периметру которых они расположены, к выходу из проточной камеры 15.

Полость камеры 15 через дополнительную камеру 16 соединена с эжектором 30 при помощи ряда трубок 31, расположенных по периметру камеры 16, Трубки 31 снабжены вентилями 32. Эжектор 30, установлен на патрубке 4 отвода обработанной воды, Кассета крепится в полости дополнительной перегородки 9 при помощи армированных диэлектрических стержней 33, Трубки 22 и 23 снабжены вентилями 34 и 35. В полости кассеты установлены лопатки 36.

Электролизер работает следующим образом, Сточная вода через патрубок 3, дополнительную камеру 16 поступает в проточную камеру 15 и, двигаясь вдоль аппарата в межэлектродном зазоре между дополнительной перегородкой 9 и перфорированным барабаном 6 кассеты, отводится через патрубок 4.

Через поры мембраны 7 анодная кассета с металлической стружечной загрузкой 5 заполняется сточной водой, а через поры мембраны 10 заполняется этой водой также полость 13 с алюминийсодержащей загрузкой 14, При наложении электрического тока происходит растворение анододисперсной стружечной загрузки 5 с образованием ионов материала стружки, которые в результате концентрированной диффузии и напряженности электрического поля мигрируют в проточную камеру 15 через диафрагму 10.

В полости анодной кассеты происходит образование окислительной среды с низким рН, что приводит к химической коррозии стружки вследствие повышения активной реакции католита, В катодной полости происходит подщелачивание обрабатываемой жидкости, что приводит к образованию гидроксидов металла, которые через диафрагму 10 мигрируют в проточную камеру 15. В проточной камере ионы коагулируют в крупные хлопья, которые сорбируют загрязнения, находящиеся в воде, При этом, в процесс работы электролизера в кольцевых камерах 17, 18 образуется высококонцентрированные растворы коагулянтов с соответственно окислительной средой с низким рН и образованием ионов материала стружки и щелочной средой с высоким рН с образованием гидроксидов металла, Растворы коагулянтов собираются в нижней части кольцевых камер, так как их поверхность проницаемая. Образованные растворы коагулянтов раздельно поступают через трубки 22 и 23 в эжектор 19 за счет разрешения в его корпусе. Объемы растворов коагулянтов, поступающие таким образом в патрубок 3 для подачи обрабатываемой жидкости, регулируются при помощи вентилей 34 и 35, в зависимости от состава воды и примесей в ней. В процессе движения растворов в трубах 22 и 23 в них поступает воздух через патрубки 26, 27, соединенный с эжекторами 24 и 25, которые установлены на этих трубках. Это создает импульсный режим подачи коагулянтов в патрубок 3, способствующий рациональному расходу коагулянтов и улучшению их перемешивания с обрабатываемой жидкостью, т,к, при этом возникает

1828846

55 турбулентность в потоке поступающей воды через патрубок 3, Кроме того, воздух дополнительно поступает в воду через патрубок

20, соединенный с эжектором 19. Поступление этого воздуха регулируется при помощи вентиля 21, Регулируемая подача воздуха и газов с электролизера в обрабатываемую воду способствует окислению Fe до Fe и позво+2 +з ляет получить коагулянт, содержащий железо различной степени окисления, что позволяет в зависимости от состава воды и примесей в ней добиться наиболее эффективного извлечения загрязняющих ингредиентов, Подсос воздуха и газов через эжекторы 19, 24 и 25 и подача их в корпус 1, позволяет разбавлять водород и кислород, образующийся в аппарате, до безопасной концентрации и осуществлять отбор полученной смеси из корпуса, когда точки соединения трубок 22 и 23 с кольцевыми камерами находятся в процессе вращения электролиэера в верхней части корпуса 1.

Насыщение при этом обрабатываемой воды газами способствует образованию флотокомплексов, что повышает эффективность флотации загрязнений при последующей обработке воды. Регулируемая подача газа, обладающего восстановительными свойствами (Нг) или окислительными (Ог), в обрабатываемую воду позволяет в зависимости от состава воды и примесей в ней добиться наиболее эффективного извлечения загрязняющих ингредиентов, В результате того, что проточная камера

15 содержит гидравлические сопротивления, вкладыши 11 и манжеты 12, в ней, обеспечивается перемешивание обрабатываемой воды, при этом интенсивность этого процесса уменьшается по ходу движения воды, т.к. расстояние между элементами 11 и 12 увеличивается в этом направлении.

В проточной камере 15 обеспечивается постепенное снижение интенсивности перемешивания, осуществляется ввод основной массы катодных и анодных реакций на входе в нее и в зону (участок с мин расстояниями между упорами 12) интенсивного перемешивания воды, вследствие наличия там больших скоростей и, соответственно, пониженного гидродинамического давления, что обуславливает подсос в эту зону анолита и католита из непроточных камер, Для предотвращения слишком интенсивного процесса перемешивания после смешения основной массы коагулянта с водой и обеспечения физико-химических процессов, которые определяют образование крупных быстроосаждающихся хлопьев гидроксидов металлов с извлекаемыми из

35 воды примесями, в направлении выхода воды из проточной камеры 15 уменьшаются гидравлические сопротивления.

Выполнение катода и анода в электролизере комбинированными из металлической стружки и токопроводной. нерастворимой цилиндрической перфорированной дополнительной перегородки 9, обеспечивает очистку воды от специфических загрязнений, обладающих селективной способностью при их осаждении коагулированием (сорбцией), например, ионов тяжелых металлов, анионов сильных кислот, в том числе ионов шестивалентного хрома, а также фторидионов. Это достигается тем, что в качестве растворимого анода используют железную стружку, продукты анодного растворения(Fe и Fe ), которого эффективно восстанавливают шестивалентный хром и собирают ионы тяжелых металлов, а продукты электрохимических реакций, протекающих на нерастворимом катоде (ОН ) и химического растворения алюминиевой стружки (А 0) позволяет осадить и сорбировать, например, фтор, что не имеет места при применении известных устройств. Кроме того, в предлагаемом изобретении получение алюминиесодержащего реагента осуществляется без дополнительных затрат электроэнергии, то есть за счет продуктов электродных реакций нерастворимого перфорированного катода, обеспечивающих химическое растворение алюминиевой стружки, Размещение нерастворимой токопроводной перфорированной цилиндрической дополнительной перегородки 9 комбинированного катода симметрично диафрагме 10, прилегающей к ней с внутренней стороны, позволяет повысить эффективность очистки сточных вод, содержащих легкодиспергируемые примеси, ионы тяжелых металлов, фтор и другие вещества. Это обеспечивается тем, что электродные реакции, протекающие на перфорированной дополнительной перегородке 9 комбинированного катода с выделением гидроксидов (OH) и газообразного водорода (Нг), способствует интенсивному химическому растворению алюминиевой стружки в щелочной среде с образованием алюминатов (AIO), подводу последних в зону смещения реагента с обрабатываемой водой по всему периметру проточной камеры в процессе вращения корпуса.

Смещение кольцевых камер 17 и 18 вдоль продольной оси корпуса к выходу из проточной камеры 15 способствует получению более высокой концентрации растворов в них. Так как к выходу из проточной камеры 15 подходит насыщенная коагулян1828846

25

55 том вода, за интенсивность перемешивания ее уменьшается, скорости движения понижается, соответственно, понижение гидродинамического давления там незначительное, что снижает интенсивность дополнительного подсоса в этой зоне анолита в приточную камеру.

Обработанная вода через дополнительную камеру 16 и патрубок 4 отводится из аппарата на дальнейшую очистку. В процессе вращения электролизера через трубки

31, когда точка их соединения с дополнительной камерой 16 находится сверху, осуществляется отвод смеси газов из полости проточной камеры 15 и части газов, образованных при электрохимических реакциях в полости 13 и кассете и попавших в проточную камеру 15 через проницаемые диафрагмы 7, 10. Кроме того, в камере 15 выделяется смесь газа из поступающей на обработку воды, насыщенной этой смесью при помощи эжекторов 19, 24, 25 и трубок 20, 23, 24, При отводе смеси газов из электролизера, осуществляется регенерация диафрагмы 1 и

10 в процессе работы аппарата, Для этого при помощи вентилей 32 уменьшаем объем отбора смеси газов с полости проточной камеры 15, В камере появляется избыточное давление газов, вектор движения которых направлен через поры диафрагм 1 и 10 в полость 13 и полость кассеты, при этом из них осуществляется отбор газов через трубки 22, 23 и эжектор 19. Причем осуществляется подсос смеси газа из проточной камеры 15 через опоры диафрагм 1 и 10.

Происходит наложение векторов направления движения этих процессов, что интенсифицирует регенерацию пор диафрагм от продуктов электрохимических реакций.

Кроме того, векторы направления движения газов направлены в противоположное направление, чем вектор направления движения растворов при их диффузии через поры этих диафрагм, когда часть поверхности диафрагм находится в контакте с обрабатываемой водой и растворами коагулянтов, Это тоже способствует интенсификации выноса продуктов реакции из пор диафрагм и обеспечивает в последствии беспрепятственное движение через них коагулянтов в обрабатываемую воду, что повышает эффективность ее обработки. Возможен другой вариант регенерации диафрагм 7, 10. При помощи вентилей 22 и 23 уменьшается отбор объема газа из полости 13 и кассеты, а отбор объема газа с проточной камеры 15 увеличивается до максимума.

При этом газы через поры диафрагм 7, 10 будут двигаться в камеру 15 и отводится через трубки 31 и эжектор 32 в патрубок 4 для отвода обработанной воды. Варианты регенерации диафрагм 7, 10 выбираются в процессе эксплуатации в зависимости от состава обрабатываемой воды и загрязнений в ней, Выполнение по периметру внутренней поверхности корпуса электролизера и кассеты кольцевых камер с проницаемой поверхностью обеспечивает наличие в них коагулянтов одной концентрации и обеспечивает их эффективный отбор, т,к. уровень коагулянтов в этих камерах будет постоянным при вращении аппарата. Кроме того, проницаемость поверхности кольцевых камер 17 и 18 обеспечивает поступление коагулянтов из зазоров между стружкой 5 и 14 в полости этих камер и интенсивный беспрепятственный отвод концентрированного коагулянта в необходимых дозах в патрубок 3 для повышения интенсивности обработки воды, При работе и регенерации диафрагм

7, 10 проницаемость поверхности кольцевых камер позволяет отбирать газы из полости 13 и кассеты.

Соединение кольцевых камер 17, 18 с эжектором 19 при помощи ряда трубок 22 и

23, установленных по периметру этих камер, обеспечивает постоянный забор коагулянтов и газов из них при вращении корпуса электролизера, что способствует непрерывной подаче в патрубок 3 для интенсификации процесса обработки воды, Соединение проточной камеры 15 с эжектором 32 на патрубке 4 при помощи ряда трубок 31, соединенных с дополнительной камерой 16 по ее периметру способствует непрерывному отводу смеси газов из полости проточной камеры 15, что обеспечивает дополнительное насыщение обрабатываемой воды в патрубке 4, создавая условия для последующей флотации загрязнений в обрабатываемой воде.

Кроме того, это создает благоприятные условия для эффективной регенерации диафрагмы 7, 10 в процессе работы электролизера, а также способствует отводу смеси газов содержащей (Н2 и Ог ), повышая, таким образом, безопасность эксплуатации электролизера, Своевременный отвод газов с проточной камеры 15 исключает увеличение его обьема в полости этой камеры, что привело бы к уменьшению глубины обрабатываемой воды в камере 15 и превышению оптимальных скоростей ее движения и времени нахождения там и снижению, при этом, эффективности обработки воды.

Жесткое закрепление кассеты с эксцентриситетом в полости дополнительной перегородки 9 обеспечивает надежное соединение кольцевой камеры 18 статичной

1828846

10 кассеты с эжектором 19, расположенном на патрубке 3 подачи обрабатываемой воды.

Кроме того, изменение высоты зазора между кассетой и цилиндрической поверхностью дополнительной перегородки обеспечивает различные напряженности электрического поля на эффективном расстоянии от дополнительной перегородки, в зависимости от объема жидкости в аппарате, обеспечивает изменение условий взаимодействий частиц при их коагуляции (флокуляции). B объеме жидкости между перегородкой 9 и поверхности кассеты изменяются градиенты напряженности, обеспечивающие различный заряд частиц дисперсной фазы и, и соответственно, величину пондеромоторной силы, приводящей к максимальному количеству .столкновений частиц за счет различной скорости их движения, что способствует повышению эффективностью процессов коагуляции и флокуляции частиц. Кроме того, жесткое закрепление кассеты повышает надежность работы аппарата, снижает количество отказов при его эксплуатации и повышает. соответственно, его производительность, Весь процесс обработки жидкости происходит при постоянном вращении электролизера. Стружка, перемещаясь внутри кассеты и в полости 14, выполняет роль абразива и очищает свою поверхность от пассивирующей пленки, что приводит к ее активной коррозии.

Для создания свободного движения частиц стружки электролизер заполняется на 3/4 объема, При снижении количества стружки в кассете и полости 13, они наполняются новой порцией соответствующей стружки. Лопатки 36 в полости кассеты способствуют более интенсивному перемешиванию там стружки, что интенсифицирует образование коагулянта в процессе работы аппарата, Процесс обработки воды в электролизере может осуществляться под контролем и управлением, например, блока числового программного управления (ЧПУ) с исполнительными приводами и датчиками (на чертежах не показано), Таким образом, данный электролизер повышает производительность и снижение расхода энергии за счет подачи концентрированного коагулянта на входе в электролизер, обеспечения регенерации диафрагм в процессе обработки воды, снижения концентрации выделяемого водорода и кисло10

55 рода при электрохимических реакциях в электролизере, разбавлением их другими газами и отвода образованной смеси из его полости, интенсификации регулируемого процесса восстановления железа газами, в зависимости от состава обрабатываемой воды и примесей в ней, дополнительного насыщения этой воды газами.

Формула изобретения

1, Электролизер для очистки воды, содержащий корпус, установленный с возможностью вращения и соединенный с отрицательным полюсом источника тока, перфорированную цилиндрическую кассету, расположенную в корпусе и заполненную стружкой, на наружной поверхности кассеты размещена диафрагма, кассета выполнена из токопроводящего материала и соединена с положительным полюсом источника тока, причем в корпусе коаксиально установлена допол нител ьная перфорированная перегородка с диафрагмой и кассета расположена в ее полости, а в полости, образованной корпусом и дополнительной перегородкой, размещена металлическая стружка, дополнительная перегородка образует проточную камеру, соединенную с патрубками подачи и отвода обрабатываемой воды, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и снижения расхода электроэнергии на очистку, по периметру внутренней поверхности корпуса и кассеты расположены кольцевые перфорированные камеры, полости которых соединены с эжектором, установленным на патрубке подачи обрабатываемой воды, при этом кассета жестко закреплена вдоль оси дополнительной перегородки с эксцентриситетом.

2. Электролизер по и. 1, о т л и ч à ешийся тем, что кольцевые камеры соединены с эжектором при помощи ряда трубок, размещенных по периметру камер, а на трубках установлены дополнительные эжекторы, связанные с источником газа.

3. Электролизер по п, 1, о т л и ч а юшийся тем. что кольцевые камеры смещены вдоль продольной оси корпуса к выходу из проточной камеры.

4, Электролизер по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что полость проточной камеры соединена через дополнительную камеру с рядом трубок, соединенных с дополнительной камерой по ее периметру и эжектором, установленным на патрубке отвода обрабатываемой воды.

1828846

g )y 1718 7 1

Составитель Я.Боровай

Редактор Е.Полионова Техред М,Моргентал Корректор Л,Ливринц

Заказ 2466 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, )К-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101