Индукционный электродиализатор

 

Изобретение относится к электрохимической обработке растворов электролитов в частности минеральной воды, используемой в медицинских целях. Изобретение может быть использовано для разделения жидкостей по ионному составу, увеличения концентрации исходного раствора. Индукционный электродиализатор содержит корпус с вводным и выводными патрубками, соединенными с рабочими камерами, образованными проницаемыми диафрагмами. Диэлектрический корпус выполнен в виде контура, огибающего ферромагнитный замкнутый магнитопровод, и источник переменного тока для индуцирования импульсного электрического тока в объеме электролита, заполняющего корпус, и наведения магнитного потока в магнитопроводе. Корпус снабжен двумя проницаемыми диафрагмами, расположенными в плоскости поперечного сечения корпуса, и металлическими заглушками, расположенными с торцов корпуса и связанными с полупроводниковым электронным вентилем, делящими корпус на три рабочие камеры. Камера между проницаемой диафрагмой и электродом, соединенным с анодом вентиля, предназначена для концентрирования анионов, камера между проницаемой диафрагмой и электродом, соединенным с катодом вентиля, предназначена для концентрирования катионов, а центральная камера предназначена для накопления деионизированного раствора. Технический эффект - повышение производительности ионного разделения, снижение энергозатрат при достижении высокой производительности разделения электролита, упрощение конструкции. 2 ил.

Изобретение относится к электрохимической обработке жидкостей и может быть использовано для разделения жидкостей по ионному составу, увеличения концентрации исходного раствора, в частности минеральной воды, используемой в медицинских целях.

Известен способ электродиализа, включающий разделение электролита с помощью электрического поля, которое формируется между двумя электродами, между которыми пропускают постоянный электрический ток [1]. Между электродами располагают проницаемые диафрагмы, которые делят объем на части. В части объема между проницаемой диафрагмой и анодом концентрируются ионы отрицательного знака, соответственно между проницаемой диафрагмой и катодом - ионы положительного знака, а в центральной камере образуется раствор с пониженным содержанием этих ионов. Известны технические реализации электродиализа, в которых корпус в виде замкнутого цилиндрического корпуса, разделенный пористыми диафрагмами, состоящий из трех камер, вращается вместе с соленоидом, при этом электролит прокачивается вдоль оси вращения. В объеме электролита, находящемся в движении, под действием индукции поля рассеяния соленоида индуцируется электрическое поле, обусловленное движением ионов разного знака [2] (прототип).

Наводимая ЭДС при этом Е_инд=f(Ф, V), где Ф - магнитный поток, действующий на объем электролита, V - скорость движения электролита в магнитном поле.

Магнитный поток Ф=μ₀ μ HS пропорционально зависит от относительной магнитной проницаемости среды μ, которую он пронизывает, здесь μ₀ - магнитная постоянная, μ - относительная магнитная проницаемость среды (в прототипе средой для индукции магнитного поля является диамагнитная жидкость электролита,) Н - напряженность магнитного поля действующая на электролит, S - площадь сечения объема электролита, которая пронизывается магнитным полем.

Значение μ<1 для магнитного потока и как следствие малая его величина, действующая на электролит, чисто технические ограничения в получении большой угловой скорости вращения объема электролита в прототипе, не позволяют получить высокую производительность разделения по ионному составу, даже при значительных энергозатратах для получения магнитного потока и механического вращения всего аппарата. Сущность изобретения заключается в том, что технический результат достигается посредством наведения импульсов тока в электролите за счет электромагнитной взаимной индукции между неподвижным контуром, соединенным с источником переменного тока, и неподвижным контуром в виде диэлектрического корпуса, заполненного электролитом. Взаимная индукция обеспечивается ферромагнитным замкнутым магнитопроводом, который охватывается двумя контурами: из проводника первого рода, соединенного с источником переменного тока, и контуром, образованным проводником второго рода (элетролитом). Технический результат выражается в повышении производительности ионного разделения, снижении энергозатрат при достижении аналогичной с прототипом производительности разделения электролита, упрощении конструкции, поскольку не требуется механического вращения всего аппарата для индуцирования электрического тока в объеме электролита.

На фиг. 1 показана одна из возможных технических реализаций индукционного электродиализатора. В диэлектрический корпус 2 в виде контура, который вложен в ферромагнитный замкнутый, без воздушных зазоров, магнитопровод 13, через патрубок 1, под некоторым давлением поступает электролит. Корпус 2 разделен с помощью проницаемых диафрагм 3, 9 и металлических заглушек 5, 7 на три части. Заглушки связаны между собой полупроводниковым электронным вентилем 6. Через патрубки 4, 8 и 10 отводятся соответственно анолит, католит и обессоленная вода. С помощью источника переменного тока 11 и обмотки 12 в контуре 2 наводится ЭДС взаимной индукции

и возникает в объеме электролита индукционный ток [3],

где Ф_m21 - часть магнитного потока, которая охватывается контуром 2,

dt - скорость изменения магнитного потока.

Значительная величина μ для ферромагнитного сердечника (10³-10⁵) и большое значение взаимной индуктивности М₂₁ контура 2 и обмотки 12, которая обеспечивается ферромагнитным замкнутым магнитопроводом 13, позволяет получить в объеме контура 2 импульсный ток значительной величины, отличающийся на несколько порядков от индукционного тока в объеме с электролитом в прототипе, при равной потребляемой электрической мощности. Это обстоятельство обеспечивает более высокую производительность разделения ионов заявляемого аппарата по сравнению с прототипом.

Величина наводимого тока, в контуре с электролитом, зависит от частоты изменения магнитного потока в магнитопроводе, если он ненасыщен. Технически задать частоту изменения магнитного потока в пределах 20-200 кГц с помощью мощного импульсного источника переменного напряжения не представляет трудностей, задать аналогичную частоту изменения магнитного потока механическим путем, вращением соленоида, потребует скорости вращения более 1 млн об/мин, что технически трудно осуществимо. Таким образом, заявляемое устройство не имеет принципиальных технических ограничений по сравнению с прототипом для обеспечения большой скорости изменения магнитного потока. Максимальная величина наводимого тока для приведенной технической реализации будет в случае, если первичная обмотка 12 будет состоять из одного витка, в этом случае коэффициент трансформации между контурами близок к единице. Габаритные размеры ферромагнитного магнитопровода - площадь его поперечного сечения и геометрические размеры окна - определяются частотой переменного напряжения источника 11 и требуемой потребляемой мощностью от источника переменного напряжения для обеспечения необходимой производительности электродиализа. Чем выше частота переменного напряжения, тем меньше необходимое сечение магнитопровода при заданном напряжении источника 11 при условии ненасыщения сердечника. Эквивалентная электрическая схема контура с электролитом индукционного электродиализатора показана на фиг.2. На схеме элементы 1 - электроды.

Во вторичном контуре наведенная ЭДС Е_m2=NЕ_m1, где N - коэффициент трансформации, Е_m1 - амплитудное значение напряжения источника 11.

Согласно второму закону Кирхгофа для амплитудного значения наведенного тока Im в контуре можно записать

g1/Im+g2/Im+g3/Im+U_VD1=Е_m2,

где g1 - ионная проводимость камеры деионизации;

g2, g3 - ионная проводимость камер концентрации ионов, прилегающих к электродам;

Im - амплитудное значение наведенного тока;

U_VD1 - падение напряжения на вентиле;

Е_m2 - амплитудное значение наведенного в контуре напряжения.

По мере разделения электролита ионная проводимость gl будет уменьшаться, а проводимости g2, g3 увеличиваться за счет концентрации ионов в камерах, примыкающих к электродам, что соответственно приведет к росту падения напряжения на проводимости g1. Причем падение напряжение на внешней поверхность электродов 1 мало зависит от плотности тока в объеме электролита и определяется дифференциальным сопротивлением открытого электронного вентиля и материалом полупроводника электронного вентиля.

Литература

1. Корыта И., Дворжак И., Богачкова В. Электрохимия. - М.: Мир, 1977, с. 418.

2. Патент № 1820899, кл. С 02 F 1/48, опубл. 07.06.93, Бюл. № 21.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М., 1965.

Формула изобретения

Индукционный электродиализатор, содержащий корпус с вводным и выводными патрубками, соединенными с рабочими камерами, образованными проницаемыми диафрагмами, отличающийся тем, что он содержит диэлектрический корпус, выполненный в виде контура, огибающего ферромагнитный замкнутый магнитопровод, и источник переменного тока для индуцирования импульсного электрического тока в объеме электролита, заполняющего корпус, и наведения магнитного потока, в магнитопроводе, при этом корпус снабжен двумя проницаемыми диафрагмами, расположенными в плоскости поперечного сечения корпуса, и металлическими заглушками, расположенными с торцов корпуса и связанными с полупроводниковым электронным вентилем, делящими корпус на три рабочие камеры, причем камера между проницаемой диафрагмой и электродом, соединенным с анодом вентиля, предназначена для концентрирования анионов, камера между проницаемой диафрагмой и электродом, соединенным с катодом вентиля, предназначена для концентрирования катионов, а центральная камера предназначена для накопления деионизированного раствора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2