Способ и устройство электрохимической обработки жидкости
Изобретение относится к электрохимической обработке электропроводящих растворов и может быть использовано для обработки жидкости, в частности к способу и устройству электрохимической обработки питьевой воды, алкогольных и безалкогольных напитков от тяжелых металлов, органических биологически вредных веществ, кислотных остатков, гидроксильных групп, оснований и солей, а также для ввода в обрабатываемые жидкости биологически полезных микроэлементов и веществ. Электрохимическую обработку жидкости осуществляют в электрохимической ячейке, разделенной проницаемой диафрагмой на катодную и анодную камеры. Обработку потока жидкости осуществляют путем направленного перемещения в катодной камере между внутренней поверхностью секций катода, выполненного составным, распределенного по длине электрохимической ячейки, и наружной поверхностью телескопически расположенной проницаемой диафрагмы из диэлектрика в форме втулки, во внутренней полости которой размещают соосно анод таким образом, что поток обрабатываемой жидкости поочередно несколько раз приближают на минимальное расстояние к поверхности составного катода, омывая его обрабатываемой жидкостью, а затем поток обрабатываемой жидкости разворачивают и направляют, приближая на минимальное расстояние к наружной поверхности проницаемой диафрагмы из диэлектрика, омывая ее периодически и повторяя такую процедуру многократно. Продукты электрохимической обработки удаляют путем пропускания через анодную камеру буферной промывочной жидкости с заданным расходом, которую направляют противоположно направлению перемещения обрабатываемой жидкости в катодной камере. Технический эффект - получение чистой воды как для индивидуального, так и для массового снабжения населения, повышение органолептических качеств алкогольных и безалкогольных напитков с облагораживанием их биологически полезными микроэлементами и веществами при их производстве. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электрохимической обработке электропроводящих растворов и может быть использовано для обработки питьевой воды, алкогольных и безалкогольных напитков, в частности к способу и устройству электрохимической обработки питьевой воды, алкогольных и безалкогольных напитков от тяжелых металлов, органических биологически вредных веществ, кислотных остатков, гидроксильных групп, оснований и солей, а также для ввода в обрабатываемые жидкости биологически активных и полезных микроэлементов.
Настоящее изобретение может быть использовано при получении чистой воды как для индивидуального, так и для массового снабжения населения, повышения органолептических качеств алкогольных и безалкогольных напитков с облагораживанием их биологически активными микроэлементами и веществами при их производстве.
Известен способ электрохимической обработки питьевой жидкости с целью улучшения ее свойств (патент США №3910829, кл. 204-151, 1975). Питьевую жидкость подвергают электрохимической обработке в проточной гидравлической системе, включающей три последовательно соединенных между собой диафрагменных электролизера. По этому способу жидкость последовательно обрабатывают в катодной камере первого электролизера, затем в анодных камерах второго и третьего электролизеров, жидкость, обработанная этим способом, содержит значительное количество анионов и их производных и не отвечает требованиям, предъявляемым к питьевой жидкости, т.к. подвергается лишь частичной очистке за счет частичного удаления катионов. Кроме того, вышеназванный способ требует помимо трех диафрагменных электролизеров наличия синхронно задающих режимов работы электролизеров и повышенного расхода электроэнергии, что усложняет практическую реализацию способа.
Известен способ обработки жидкостей (заявка Японии №1-104387, кл. С 02 F 1/46, 1989), заключающийся в последовательном пропускании питьевой жидкости через анодную и катодную камеры с использованием графитовых электродов. Недостатком способа является высокая концентрация соединений активного хлора и других катионов в устойчивой форме (гипохлориды щелочных и щелочноземельных металлов) в обработанной жидкости, что снижает ее качество и биологическую ценность, кроме этого дополнительно образуются токсичные галоидосодержащие соединения, опасные для здоровья. Дополнительным недостатком является повышенный расход энергии и времени, затрачиваемые на обработку за счет последовательного пропускания обрабатываемой жидкости через анодную и катодную камеры. Кроме того, графитовые электроды обладают анизотропной структурой, частицы которых легко отрываются от их поверхности, и быстро изнашиваются, засоряя обрабатываемую жидкость особенно в анодной камере, что затрудняет практическое использование известного способа.
Известен также способ обработки воды (патент РФ №2064440, 1996). согласно которому способ обработки воды, включающий электрообработку ее постоянным током в электролитической камере, разделенной пористой перегородкой на анодное и катодное пространство, при последовательном пропускании сначала через одно, а затем через другое пространство, фильтрование католита и удаление обработанной воды, при этом воду сначала пропускают через анодное пространство, а затем через катодное пространство, а электрообработку ведут при силе тока, определяемой по формуле:
I=К•С0,25•Q,
где I - сила тока, А; С - минерализация воды, 0,1-1,5 г/л; Q - расход воды. л/час; К=0,056 [А•час•л0,75/г0,25] - эмпирический коэффициент.
Однако такой способ обработки жидкости также обладает существенным недостатком, а именно высокая концентрация в устойчивой форме гипохлоридов щелочных, щелочноземельных катионов, образование токсичных галоидосодержащих соединений, что делает жидкость биологически опасной для здоровья людей. Кроме того, не решен вопрос стойкости электродов и загрязнения ими обрабатываемой жидкости, а также неоправданно повышенный расход электроэнергии и времени за счет последовательного пропускания жидкости сначала через одну полость, а затем через другую полость электролизера.
Известен способ, выбранный в качестве ближайшего аналога (а.с. СССР №1171428, 1985), включающий воздействие постоянным электрическим током в электрохимической ячейке, разделенной проницаемой диафрагмой на катодную и анодную камеры, на поток обрабатываемой жидкости, протекающей через катодную камеру.
Известный способ обладает недостатками, присущими выше приведенным аналогам, а вывод жидкости из анодного пространства обеспечивает накопление в обрабатываемой воде продуктов анодного окисления и концентрацию в жидкости анионов, таких как, например, НClO, СlO и других, которые являются токсичными для организма человека.
Существенными недостатками, присущими как известному способу, так и аналогам, являются бесконтрольное и нерегулируемое последовательное пропускание обрабатываемой жидкости через анодную, а затем катодную камеры с использованием графитовых электродов, что приводит к обеднению обработанной жидкости биологически полезными элементами, естественным образом находящимися в ней. Нерациональное и неуправляемое распределение плотности тока вдоль электродов и периодический перенос анионов и катионов из одной межэлектродной полости в другую приводит к тому, что из-за чрезвычайно малой скорости движения анионов и катионов неэффективно очищается обработанная жидкость. Это приводит к нерациональному перерасходу электроэнергии, а анизотропность графитовых электродов имеет недостаточную прочность и чешуйки графита отрываются от электродов (этим объясняются смазывающие и пишущие свойства графита), загрязняют обрабатываемую жидкость и значительно снижают срок работы электродов. Кроме того, в известных способах не предусмотрено обогащение обрабатываемой жидкости биологически полезными веществами, т.к. солевой состав естественных и искусственных жидкостей при их приготовлении самый разнообразный. Еще существенным недостатком, присущим известному способу, является отсутствие вывода газообразных продуктов разложения воды (водород и кислород), что делает известный способ опасным при его использовании и не применим при реализации.
Известно устройство, реализующее вышеизложенные способы (патент РФ №2038323. 1995), выбранное в качестве ближайшего аналога для устройства, содержащее электрохимическую ячейку, включающую корпус, вертикальные коаксиальные катод и анод, установленные в диэлектрических втулках, проницаемую диафрагму, установленную во втулках между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, а также линии подвода и отвода обрабатываемой жидкости, источник тока, соединенный с катодом и анодом через коммутатор, и электрические цепи, при этом диафрагма выполнена ультрафильтрационной из керамики на основе оксида циркония с добавками оксидов алюминия и иттрия и установлена таким образом, что геометрические размеры ячейки удовлетворяют соотношениям:
K/ln L=Ds/Db; Ss/Sb=0,7-0,8,
где К - межэлектродное расстояние, мм; L - длина рабочей части электродной камеры. мм; Ds - внутренний диаметр цилиндрического электрода, мм; Db - диаметр средней части стержневого электрода, мм; Ss и Sb - площади поперечного сечения камер соответственно цилиндрического и стержневого электродов, м2, в верхней и нижней частях цилиндрического электрода выполнены отверстия, нижнее из которых соединено с линией подачи воды, стержневой электрод выполнен переменного сечения и диаметр его концевых частей составляет 0,75 диаметра его средней части, причем стержневой электрод установлен таким образом, что его средняя часть расположена на уровне, ограниченном отверстиями в верхней и нижней частях цилиндрического электрода, цилиндрический электрод соединен с положительным, а стержневой - с отрицательным полюсом источника тока, устройство дополнительно содержит емкость с катализатором, имеющую вход в верхней и выход в нижней частях емкости, причем вход в емкость с катализатором соединен с отверстием в верхней части цилиндрического электрода, а выход емкости с катализатором соединен с каналом для подвода воды в камеру стержневого электрода.
Недостатками устройства являются последовательное пропускание обрабатываемой воды из анодной полости устройства с насыщением жидкости анионами и их окислами в катодную камеру, требует дополнительных энергозатрат на нейтрализацию анионов и их производных с насыщением объема жидкости катионами. На такую процедуру требуется повышенный расход электроэнергии и затрат времени. Наличие ультрафильтрационной керамической диафрагмы на основе оксида циркония и алюминия, подвергающейся воздействию тока, приведет к выносу из мембраны оксидов алюминия и циркония, к их разложению на гидроксильные группы и ионы, а насыщение обрабатываемой жидкости ионами алюминия чрезвычайно вредно для людей, т.к. влияет на мозг человека.
С другой стороны, ультрафильтрационная мембрана сильно подвержена закупориванию пор, что ведет к низкой работоспособности устройства. Другим недостатком, присущим известному устройству, является неравномерное распространение плотности тока вдоль электродов, что создает зоны на электродах с повышенной плотностью тока и зоны со значительно пониженной плотностью, т.к. при протекании обрабатываемой жидкости вдоль электродов происходит изменение концентрации растворенных в жидкости элементов, а следовательно, и проводимости жидкости.
Известно, что ток пойдет в основном по участку с минимальным электрическим сопротивлением и, как следствие, в зоне больших токов произойдет интенсивное разложение и разрушение мембраны и электродов соответственно, это приведет к неоправданным электрическим затратам, что делает известное изобретение не пригодным для производства больших объемов жидкости для населения, а лишь возможно его применение в лабораторных условиях.
Другой существенный недостаток, приводящий к затруднению применения известного изобретения в промышленных целях - это отсутствие средств, узлов и элементов стабилизации, регулирования гидропотока обрабатываемой жидкости, регулирования и стабилизации электрических токов, что ведет к неуправляемому процессу и, как следствие, к перерасходу электрической энергии при больших объемах обрабатываемой жидкости; нерациональное распределение токов вдоль электродов, что приводит к их преждевременному износу и выносу биологически полезных естественных элементов: отсутствие возможности ввода в обрабатываемую жидкость и насыщение ее биологически полезными микроэлементами для человека, т.к. при обработке жидкости - воды, алкогольных и безалкогольных напитков с максимальным приближением к естественным условиям, когда вода, еще находясь в водоносных слоях земли, подвергается воздействию теллурических токов земли, пронизывающих земную кору и воздействующих на воду. А в древности виноделы помещали вино в керамические сосуды и закапывали в землю вблизи рек и водопадов, т.е. интуитивно в тех зонах, где наибольшая плотность теллурических токов, под действием которых вино приобретало органолептические качества, свойственные выдержанным винам.
Другим недостатком, присущим известному устройству, является ограниченная область применения, а именно известный способ и устройство в силу вышеуказанных недостатков не пригодно к обработке алкогольных и безалкогольных напитков.
Задачей изобретения является разработка способа электрохимической обработки жидкости и многофункциональной установки для его реализации.
Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации изобретения, являются:
для способа
- исключение диффузии вредных анионов, накапливающихся на аноде;
- повышение качества обработки жидкости;
- насыщение обрабатываемой жидкости биологически полезными веществами:
- повышение экономической эффективности;
- расширение области применения
для установки, реализующей способ,
- снижение энергозатрат;
- сокращение времени обработки жидкости;
- возможность регулирования процесса обработки жидкости;
- достижение многофункциональности.
Решение указанной задачи и достижение указанных технических результатов для заявляемого способа и установки для его реализации стали возможны благодаря тому, что в известном способе электрохимической обработки жидкости, включающем воздействие постоянным электрическим током в электрохимической ячейке, разделенной проницаемой диафрагмой на катодную и анодную камеры, на поток обрабатываемой жидкости, протекающей не менее, чем через одну камеру, при этом обработку потока жидкости осуществляют путем направленного перемещения в катодной камере между внутренней поверхностью секций катода, выполненного составным, распределенного по длине электрохимической ячейки, и наружной поверхностью телескопически расположенной проницаемой диафрагмы из диэлектрика в форме втулки, во внутренней полости которой размещают соосно анод таким образом, что поток обрабатываемой жидкости поочередно несколько раз приближают на минимальное расстояние к поверхности составного катода, омывая его обрабатываемой жидкостью, а затем поток обрабатываемой жидкости разворачивают и направляют, приближая на минимальное расстояние к наружной поверхности проницаемой диафрагмы из диэлектрика, омывая ее периодически и повторяя такую процедуру многократно, при этом продукты электрохимической обработки, поступающие и образующиеся в анодной камере, удаляют путем пропускания через нее буферной промывочной жидкости с заданным расходом, которую направляют противоположно направлению перемещения обрабатываемой жидкости в катодной камере, при этом плотность тока регулируют по высоте катодной камеры и поддерживают на заданном уровне управляемыми регуляторами тока, которые отрицательными выходами полюсов подключают к секциям составного катода, распределенным по длине электрохимической ячейки, входные отрицательные цепи которых подключают через коммутатор питания, распределенного по напряжению, к многоуровневому по напряжению источнику питания, объемный расход жидкости, подвергаемой обработке в катодной камере, поддерживают на заданной величине и выводят после прохождения катодной камеры из электрохимической ячейки, поток буферной промывочной жидкости подают со стороны вывода обрабатываемой жидкости из катодной камеры и после прохождения анодной камеры выводят из нее, при этом в предпочтительном случае исполнения способа в поток буферной промывочной жидкости со стороны ее ввода дополнительно дозируют биологически полезные микроэлементы и вещества, отношение объемного расхода буферной промывочной жидкости к объемному расходу обрабатываемой жидкости поддерживают как 0,05-0,5:1, буферную промывочную жидкость и газообразные продукты электрохимической обработки, выделяющиеся на электродах электрохимической ячейки, отделяют от жидкости и направляют на утилизацию, а также благодаря тому, что в известной установке, содержащей электрохимическую ячейку, включающей корпус, вертикальные коаксиальные катод и анод, установленные в диэлектрических втулках, проницаемую диафрагму, установленную во втулках между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, а также линии подвода и отвода обрабатываемой жидкости, источник тока, соединенный с катодом и анодом через коммутатор, и электрические цепи, при этом устройство дополнительно снабжено сепаратором, коллектором сбора попутного газа, пористым разделителем, сборником обработанной жидкости, управляемыми регуляторами тока, расхода обрабатываемой жидкости, расхода буферной промывочной жидкости, многоуровневым распределенным по напряжению источником постоянного тока, блоком управления и контроля, комплексом сбора данных, управляемыми электрическими цепями, при этом корпус электрохимической ячейки дополнительно снабжен фланцами по торцам из диэлектрика, внутри корпуса соосно с ним и с зазором смонтирован катод, выполненный составным из отдельных колец, расположенных с зазором между своими торцами относительно друг друга, а вдоль внутренней полости составного катода и соосно с ним с зазором относительно внутренней поверхности катода расположена проницаемая диафрагма, выполненная в виде втулки из проницаемого диэлектрика, которая своими торцами плотно соединена с фланцами корпуса электрохимической ячейки с возможностью образования катодной камеры, внутри тулки из проницаемого диэлектрика соосно с ней и с зазором относительно ее внутренней поверхности смонтирован анод с возможностью образования анодной камеры, каждое кольцо составного катода соединено с отрицательными выходами управляемых регуляторов тока, которые своими входными цепями подключены через коммутатор распределения напряжения к многоуровневому распределенному по напряжению источнику постоянного тока, катодная камера между составным катодом и втулкой из проницаемого диэлектрика через управляемый регулятор расхода обрабатываемой жидкости сообщена с входом подачи обрабатываемой жидкости, а с противоположной стороны от ввода обрабатываемой жидкости катодная камера сообщена со сборником обработанной жидкости, при этом со стороны вывода из катодной камеры обрабатываемой жидкости анодная камера сообщена с выходом управляемого регулятора буферной промывочной жидкости, вход которого сообщен с входом подачи буферной промывочной жидкости, а противоположная сторона анодной камеры через сепаратор сообщена с выходом сепаратора на каналы утилизации отработанной буферной промывочной жидкости и попутного газа, выделяемого на аноде, при этом цепи регулируемых регуляторов тока, регуляторов расхода обрабатываемой жидкости и буферной промывочной жидкости и коммутатора распределенно подключены по напряжению питания к блоку управления и контроля, к входу которого подключен комплекс сбора данных и ввода задания режима обработки жидкости, причем корпус в верхней части электрохимической ячейки снабжен коллектором сбора попутного газа, выделяемого с поверхности катода и подсоединенного к каналу утилизации через пористый разделитель, кольцевая катодная камера вдоль своей длины дополнительно снабжена большими и малыми кольцевыми перегородками из диэлектрика, большие кольцевые перегородки наружными поверхностями плотно прилегают к внутренней поверхности корпуса электрохимической ячейки и с зазором граничат с наружной поверхностью втулки из проницаемого диэлектрика, а в промежутках между большими кольцевыми перегородками смонтированы малые кольцевые перегородки из диэлектрика, их наружные поверхности с зазором расположены по середине каждого кольцевого катода, а внутренние поверхности малых кольцевых перегородок плотно охватывают втулку из проницаемого диэлектрика, причем большие кольцевые перегородки расположены между торцевыми зазорами колец составного катода, при этом в лучшем примере исполнения устройство дополнительно снабжено управляемым дозатором, через который анодная камера со стороны ввода буферной промывочной жидкости сообщена с вводом биологически полезных микроэлементов и веществ, при этом управляемая цепь дозатора биологически полезных микроэлементов и веществ распределенно подключена по напряжению питания к блоку управления и контроля.
Обрабатываемая жидкость представляет водный раствор кислот, оснований, солей и является их смесью из полезных и вредных для здоровья человека нормальных кислых солей, относящихся к неорганическим веществам, и органических веществ. В случае обработки воды последняя в несколько раз снижает свою жесткость за счет вывода из нее тяжелых металлов, основных и кислых остатков. При обработке алкогольных напитков из них также выводят тяжелые металлы, основные и кислые остатки, водные остатки, в то время как органические вещества остаются в напитке, вследствие чего улучшаются органолептические характеристики напитков, подвергшихся обработке. Аналогичные процессы под действием теллурических токов земли пронизывают те или иные водоносные пласты, накапливая в одних катионы, а в других - анионы. Вследствие чего в одних пластах накапливается питьевая мягкая вода, в других пластах увеличивается кислотность, солевой состав. Под действием тока, пронизывающего обрабатывающую жидкость, гибнут болезнетворные микроорганизмы.
Таким образом, предложенная совокупность признаков для заявленных способа и устройства достаточна для решения поставленной задачи и достижения технических результатов.
Изобретение явным образом не следует из уровня техники, при анализе мирового технического уровня не выявлено технического решения того же назначения, совокупность существенных признаков которого идентична признакам независимых пунктов формулы.
Сущность изобретения иллюстрируют следующие чертежи:
фиг.1 - устройство для электрохимической обработки жидкости;
фиг.2 - структурно-функциональная схема способа электрохимической обработки жидкости.
Устройство электрохимической обработки жидкости изображено на фиг.1, которое содержит электрохимическую ячейку с корпусом цилиндрической формы 1 с фланцами 2 и 3, выполненными из диэлектрика, внутри корпуса 1 соосно с ним вдоль его внутренней поверхности стенки с зазором расположен катод, выполненный составным из отдельных колец 4, 5, 6, смонтированных с зазором между своими торцами относительно друг друга и соосно вдоль корпуса 1, каждое кольцо 4, 5, 6 составного катода соединено с отрицательными выходами управляемых регуляторов тока 7, 8, 9, которые своими входными цепями подключены через коммутатор распределенного напряжения 10 к многоуровневому распределенному по напряжению источнику постоянного тока 11, к положительной цепи которого подключен анод 12, смонтированный соосно внутри диафрагмы в форме втулки 13, выполненной из проницаемого диэлектрика и своими торцами плотно соединенная с фланцами 2 и 3 корпуса 1 электрохимической ячейки, образуя своей наружной поверхностью катодную камеру 14, а анод 12. расположенный с зазором в полости втулки 13, образует анодную камеру 15. Катодная камера 14 каналом через управляемый регулятор расхода обрабатываемой жидкости 16 сообщена с входом подачи обрабатываемой жидкости 17, а с противоположной стороны от ввода обрабатываемой жидкости с выхода регулятора расхода 16 катодная камера 14 сообщена со сборником обработанной жидкости 18, а со стороны вывода обрабатываемой жидкости анодная камера 15 сообщена своим каналом с выходом управляемого регулятора расхода 19 буферной промывочной жидкости, вход которого сообщен с входом подачи буферной промывочной жидкости, противоположная сторона анодной камеры 15 через сепаратор 20 сообщена с выходом сепаратора на каналы утилизации отработанной буферной промывочной жидкости и попутного газа, выделяемого на аноде 12, при этом со стороны ввода буферной промывочной жидкости в анодную камеру 15 последняя через управляемый дозатор 21 сообщена с вводом биологически полезных микроэлементов и веществ, управляемые цепи регулируемых регуляторов тока 7, 8, 9, регуляторов расхода обрабатываемой жидкости 16 и буферной промывочной жидкости 19, дозатора полезных микроэлементов и веществ 21 и коммутатора распределенного по напряжению питания 10 подключены к блоку управления и контроля 22, к входу которого подключен комплекс сбора данных и ввода задания режима обработки жидкости 23, цилиндрический корпус электрохимической ячейки 1 в верхней части снабжен коллектором сбора попутного газа 24, выделяемого с поверхностей катода 4, 5, 6, и подсоединен к каналу утилизации через пористый разделитель 25. Кольцевая катодная камера 14 вдоль своей длины снабжена большими 26, 27, 28, 29 и малыми 30, 31, 32 кольцевыми перегородками из изоляционного материала, четное количество больших кольцевых перегородок 26, 27, 28, 29 наружными поверхностями плотно прилегают к внутренней поверхности цилиндрического корпуса электрохимической ячейки 1 и с зазором граничат с наружной поверхностью проницаемой втулки 13, охватывая ее с зазором по диаметру, в промежутках между большими кольцевыми перегородками 26, 27, 28, 29 смонтированы с нечетным количеством малые кольцевые перегородки из диэлектрика 30, 31, 32, наружные поверхности которых с зазором расположены по середине каждого кольца составного катода 4, 5, 6, а внутренние поверхности малых кольцевых перегородок 30, 31, 32 плотно охватывают наружную поверхность проницаемой втулки 13, а большие кольцевые перегородки 26, 27, 28, 29 расположены между торцевыми зазорами колец составного катода 4, 5, 6.
Описанное устройство реализует заявленный способ следующим образом (фиг.2). Поток обрабатываемой жидкости направляют в катодную камеру 14 таким образом, что его поочередно несколько раз приближают на минимальное расстояние к поверхности составного катода 4, омывая его обрабатываемой жидкостью, разворачивают и направляют, приближая на минимальное расстояние к наружной поверхности проницаемой диафрагмы 13 из диэлектрика, которая исключает механическое перемешивание жидкостей, перемещаемых в катодной и анодной камерах, омывая проницаемую диафрагму 13 из диэлектрика и повторяя такую процедуру многократно. Проходя между составным катодом 4 и анодом 12, поток обрабатываемой жидкости подвергают действию электрического тока, под действием которого катионы переносятся к катоду 4, а анионы к аноду 12, проходя через пористую перегородку 13, и накапливаются в буферной промывочной жидкости, омывающей анод 12. Приближаясь на минимальные расстояния к аноду 12 и катоду 4, анионы и катионы обрабатываемой жидкости, обладая малыми скоростями перемещения под действием электрического тока, успевают разделиться и сконцентрироваться - катионы в катодной камеры 14, а анионы - в анодной камере 15 электрохимической ячейки 1, чем обеспечивается их разделение и концентрация в камерах 14 и 15. При этом продукты электрохимической обработки в анодной камере 15 удаляют путем пропускания буферной промывочной жидкости через внутреннюю полость проницаемой диафрагмы 13 из диэлектрика и направляют ее противоположно направлению перемещения обрабатываемой жидкости в катодной камере 14. Обрабатываемая жидкость, перемещаясь в электрохимической ячейке 1 по длине перемещения вдоль колец составного катода 4, теряет катионы и анионы, вследствие чего ее проводимость падает. В целях поддержания необходимой плотности тока на электродах 4 и 12 регуляторы тока 7, 8, 9 командой с блока регулирования и контроля 22 поддерживают вдоль длины катодной 14 и анодной камер 15 заданные плотности токов.
Так как на катоде 4 и аноде 12 создаются разные уровни напряжения и в целях исключения перекрестных токов через кольца составного катода 4 и искажения режима работы кольца составного катода 4 через свои регулируемые регуляторы тока 7, 8, 9 подключаются к многоуровневому блоку питания 11 раздельно во времени коммутатором, распределенного по уровню напряжения 10. Объемный расход жидкости, подвергаемый обработке в катодной камере 14, поддерживают на заданной величине с помощью регулятора расхода 16 и выводят с противоположного торца катодной камеры 14 в сборник обработанной жидкости 18. Комплекс задания режимов обработки жидкости 23 подключают к блоку управления и контроля 22, который по заложенным в нем алгоритмам и соответствующим им математическому программному обеспечению вырабатывает управляющие и регулирующие команды, влияя на неконтролируемое и нерациональное распределение плотности тока вдоль электродов, на бесконтрольное и неоптимальное насыщение обрабатываемой жидкости катионами и анионами, т.к. идет их перенос и обеднение биологически полезными микроэлементами и веществами обрабатываемой жидкости из одной полости в другую.
Буферную промывочную жидкость и газообразные продукты электрохимической обработки, выделяющиеся на электродах 14 и 15 электрохимической ячейки 1, отделяют от жидкости на сепараторе 20 и направляют на утилизацию. Вымытые биологически вредные компоненты поступают в сепаратор 20, в котором происходит отделение от жидкости сопутствующего газа, выделяющегося на аноде 12, которые раздельно поступают на утилизацию (дальнейшее полезное использование). Одновременно на кольцах составного катода 4 концентрируются катионы, в том числе и биологически вредные, например тяжелые металлы, которые захватываются и оседают на поверхностях колец составного катода 4, чем обеспечивается очистка обрабатываемой жидкости.
При этом через регулятор 21 дозированные объемы биологически полезных микроэлементов и веществ вводят со стороны ввода потока буферной промывочной жидкости в анодную камеру 15, где катионы полезных микроэлементов переходят в катодную камеру 14, насыщая обрабатываемую жидкость. Так как расстояние от анода 12 до колец составного катода 4 больше расстояния от поверхности втулки 13 из проницаемою диэлектрика, то полезные катионы не успевают переместиться на такое расстояние и осесть на кольцах составного катода 4, чем и достигается обогащение обрабатываемой жидкости, а биологически полезные вещества, не диссоциирующие на анионы и катионы, дозатором ввода микроэлементов и биологически полезных веществ 21 непосредственно вводят в сборник обработанной жидкости 18.
Объемный расход буферной промывочной жидкости устанавливают и поддерживают меньше объемного расхода обрабатываемой жидкости с соотношением 0,05-0,5:1.
Положительные ионы кислот, оснований и солей (ионы водорода, металлов) перемещаются к катоду и за счет кольцевых перегородок 32 приближаются на минимальное расстояние к катоду, осаждаясь на нем или выпадая в осадок. Так как ионы металлов, обладая большой массой, перемещаются медленно (несколько миллиметров в секунду), то за счет кольцевых перегородок 32 обрабатываемую жидкость, омывающую катод 4 на малом расстоянии, очищают от катионов (ионов металлов), а водород, выделяясь, накапливается в верхней части корпуса и через пористый разделитель 25, обеспечивающий безопасность вывода водорода, выводят на утилизацию. Отрицательно заряженные кислотные и водные остатки, находящиеся в растворе обрабатываемой жидкости кольцевой перегородки 29, приближают на минимальное расстояние к пористой перегородке 13 и под действием электрического поля между электродами переводят в буферную промывочную жидкость и выносят в сепаратор 20, где газ, сопутствующий процессу электрохимической обработке и выделяющийся на аноде 12, отделяют от буферной промывочной жидкости и направляют на утилизацию.
Движением буферной промывочной воды в противотоке по отношению к обрабатываемой воде исключают ее загрязнение перед ее выводом в сборник 18, т.к. уже обработанная жидкость перед ее выводом омывается чистой, только что введенной буферной промывочной жидкостью. Применение буферной промывочной жидкости, движущейся в противотоке навстречу обрабатываемой жидкости, исключает диффузию вредных анионов, накапливающихся на аноде 12, и своевременный их вынос на утилизацию, исключая их недопустимую концентрацию в анодной камере 15. Применение раздельных жидкостей на обрабатываемую и буферную промывочную жидкости исключает периодический перенос анионов и катионов от анода 12 к катоду 4 и обратно, повышая тем самым качество обработки и снижая расход электроэнергии, что немаловажно при больших объемах обрабатываемой жидкости, а возможность утилизации накапливаемых веществ в растворе буферной промывочной жидкости повышает экономическую эффективность.
Так как в процессе обработки жидкости ее проводимость падает, и в целях поддержания заданных плотностей тока применяют принцип распределенного питания распределенного катода с разным уровнем напряжения от многоуровневого распределенного по напряжению источника питания 11, а заданные рациональные плотности токов на катоде 4 и аноде 12 стабильно поддерживают управляемыми регуляторами тока, отрабатывающими задаваемый режим работы блоком управления и контроля 22, использующим информацию о процессе обработки, поступающей от комплекса сбора данных и задания режима обработки жидкости 21. Регуляторы расхода 16 и 19, дозатор ввода биологически полезных микроэлементов и веществ 21 обеспечивают стабильность ведения процесса обработки. Разделением во времени и по величине коммутация токов при разных уровнях напряжения на распределенном катоде 4 исключают перекрестные токи между частями составного катода 4 и обеспечивают поддержание заданных плотностей токов.
Преимуществом предлагаемого способа является то, что обрабатываемая жидкость после обработки повышает свои качества и органолептические свойства, а именно вода освобождается от биологически вредных веществ и приобретает мягкие вкусовые характеристики за счет снижения своей жесткости, вкусовые качества, присущие чистой родниковой и колодезной воде, а алкогольные и безалкогольные напитки также очищаются от биологически вредных веществ, снижают свою кислотность, обогащаются биологически полезными веществами и приобретают улучшенные органолептические качества, присущие выдержанным напиткам.
Paбoтa установки по предложенному способу иллюстрируется следующим примерами.
Пример 1. Обрабатываемая жидкость представляет воду с такими параметрами: жесткость - 3,6 мг/л, железо - 0,4 мг/л, пермаганатная окисляемость - 7 мг/л, рН 5,0.
Обработку воды осуществляли с расходом 0=480 л/сутки на установке массой m=20 кг при размерах 3,0
0,20,22 м с энергозатратами W=2,4 кВт с расходом буферной промывочной воды q=24 л/сутки.
Обработку воды осуществляли путем ее направленного перемещения в катодной камере между внутренней поверхностью секций составного катода и наружной поверхностью анодной камеры. Поток обрабатываемой воды, проходя между большими и малыми перегородками составного катода, приближали на минимальное расстояние к поверхности составного катода, омывая его обрабатываемой водой. Затем поток обрабатываемой воды разворачивали и направляли, приближая на минимальное расстояние к наружной поверхности анодной камеры, омывая ее периодически и повторяя такую процедуру многократно. Продукты электрохимической обработки, поступающие и образующиеся в анодной камере, удаляли путем пропускания через нее буферной промывочной воды с расходом q, которую направляли противоположно направлению перемещения обрабатываемой воды в катодной камере. Плотность тока регулировали но высоте катодной камеры и поддерживали на заданном уровне управляемыми регуляторами тока, подключенными к секциям составного катода, который через коммутатор питания, распределенный по напряжению, подключали к многоуровневому по напряжению источнику питания. Объемный расход Q обрабатываемой воды выводили после прохождения катодной камеры из электрохимической ячейки. Поток буферной промывочной воды подавали со стороны вывода обрабатываемой воды из катодной камеры и после прохождения анодной камеры выводили из нее. Буферную промывочную воду, водород и кислород, выделяющиеся на электродах электрохимической ячейки, отделяли от буферной промывочной воды и направляли на утилизацию.
Показатели обработанной воды: жесткость - 0,5 мг/л, железо - 0,001 мг/л, пермаганатная окисляемость - 0,1 мг/л, рН 6,6.
Степень очистки = 99%; энергозатраты = 3,6 кВт
час; время обработки = 1,5 часа.
Время обработки и энергозатраты по сравнению с ближайшим аналогом сократились в 2 раза.
Пример 2. По примеру 1 в качестве жидкости выбрано сухое ординарное вино с параметрами: метанол - 0,05%, сивушные масла - 40 мг/дм3, органические кислоты - 8 г/дм3, фенольные вещества - 12 г/дм3.
Показатели обработанного вина: метанол - 0,001%, сивушные масла - 0,4 мг/дм3, органические кислоты - 0,8 г/дм3, фенольные вещества - 0,2 г/дм3.
Энергозатраты = 3,6 кВтчас; время обработки =1,5 часа.
После обработки эквивалент выдержки вина составил 10-20 лет, органолептические качества возросли в несколько раз.
Таким образом, используя механизм ионной проводимости электролита, которым в определенном смысле является обрабатываемая жидкость - вода, алкогольные и безалкогольные напитки, проводимый под контролем за счет рационального регулирования и поддержания на рациональном уровне режима работы и применения противотока буферной промывочной жидкости, достигается контролируемая чистота и качество очищаемого и облагораживаемого продукта.
Благодаря предложенному способу исключена диффузия вредных анионов, накапливающихся на аноде, повышено качество обработки жидкости, получена возможность насыщения обрабатываемой жидкости биологически полезными веществами, повышена экономическая эффективность, расширена область применения, а благодаря устройству, реализующему преложенный способ, снижены энергозатраты на обработку жидкости и сокращено время ее обработки, достигнута возможность регулирования процесса обработки жидкости, достигнута многофункциональность установки.
Формула изобретения
1. Способ электрохимической обработки жидкости, включающий воздействие постоянным электрическим током в электрохимической ячейке, разделенной проницаемой диафрагмой на катодную и анодную камеры, на поток обрабатываемой жидкости, протекающей не менее чем через одну камеру, отличающийся тем, что обработку потока жидкости осуществляют путем направленного перемещения в катодной камере между внутренней поверхностью секций катода, выполненного составным, распределенного по длине электрохимической ячейки, и наружной поверхностью телескопически расположенной проницаемой диафрагмы из диэлектрика в форме втулки, во внутренней полости которой размещают соосно анод, таким образом, что поток обрабатываемой жидкости поочередно несколько раз приближают на минимальное расстояние к поверхности составного катода, омывая его обрабатываемой жидкостью, а затем поток обрабатываемой жидкости разворачивают и направляют, приближая на минимальное расстояние к наружной поверхности проницаемой диафрагмы из диэлектрика, омывая ее периодически и повторяя такую процедуру многократно, при этом продукты электрохимической обработки, поступающие и образующиеся в анодной камере, удаляют путем пропускания через нее буферной промывочной жидкости с заданным расходом, которую направляют противоположно направлению перемещения обрабатываемой жидкости в катодной камере, при этом плотность тока регулируют по высоте катодной камеры и поддерживают на заданном уровне управляемыми регуляторами тока, которые отрицательными выходами полюсов подключают к секциям составного катода, распределенным по длине электрохимической ячейки, входные отрицательные цепи которых подключают через коммутатор питания, распределенного по напряжению, к многоуровневому по напряжению источнику питания, объемный расход жидкости, подвергаемой обработке в катодной камере, поддерживают заданной величины и выводят после прохождения катодной камеры из электрохимической ячейки, поток буферной промывочной жидкости подают со стороны вывода обрабатываемой жидкости из катодной камеры и после прохождения анодной камеры выводят из нее.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поток буферной промывочной жидкости со стороны ее ввода дополнительно дозируют биологически полезные микроэлементы и вещества.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение объемного расхода буферной промывочной жидкости и объемного расхода обрабатываемой жидкости поддерживают как 0,05-0,5:1.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что буферную промывочную жидкость и газообразные продукты электрохимической обработки, выделяющиеся на электродах электрохимической ячейки, отделяют от жидкости и направляют на утилизацию.
5. Устройство электрохимической обработки жидкости, содержащее электрохимическую ячейку, включающую корпус, вертикальные коаксиальные катод и анод, установленные в диэлектрических втулках, проницаемую диафрагму, установленную во втулках между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, а также линии подвода и отвода обрабатываемой жидкости, источник тока, соединенный с катодом и анодом через коммутатор, и электрические цепи, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено сепаратором, коллектором сбора попутного газа, пористым разделителем, сборником обработанной жидкости, управляемыми регуляторами тока, расхода обрабатываемой жидкости, расхода буферной промывочной жидкости, многоуровневым распределенным по напряжению источником постоянного тока, блоком управления и контроля, комплексом сбора данных, управляемыми электрическими цепями, при этом корпус электрохимической ячейки дополнительно снабжен фланцами по торцам из диэлектрика, внутри корпуса соосно с ним и с зазором смонтирован катод, выполненный составным из отдельных колец, расположенных с зазором между своими торцами относительно друг друга, а вдоль внутренней полости составного катода и соосно с ним с зазором относительно внутренней поверхности катода расположена проницаемая диафрагма, выполненная в виде втулки из проницаемого диэлектрика, которая своими торцами плотно соединена с фланцами корпуса электрохимической ячейки с возможностью образования катодной камеры, внутри втулки из проницаемого диэлектрика соосно с ней и с зазором относительно ее внутренней поверхности смонтирован анод с возможностью образования анодной камеры, каждое кольцо составного катода соединено с отрицательными выходами управляемых регуляторов тока, которые своими входными цепями подключены через коммутатор распределения напряжения к многоуровневому распределенному по напряжению источнику постоянного тока, катодная камера между составным катодом и втулкой из проницаемого диэлектрика через управляемый регулятор расхода обрабатываемой жидкости сообщена с входом подачи обрабатываемой жидкости, а с противоположной стороны от ввода обрабатываемой жидкости катодная камера сообщена со сборником обработанной жидкости, при этом со стороны вывода из катодной камеры обрабатываемой жидкости анодная камера сообщена с выходом управляемого регулятора буферной промывочной жидкости, вход которого сообщен с входом подачи буферной промывочной жидкости, а противоположная сторона анодной камеры через сепаратор сообщена с выходом сепаратора на каналы утилизации отработанной буферной промывочной жидкости и попутного газа, выделяемого на аноде, при этом цепи регулируемых регуляторов тока, регуляторов расхода обрабатываемой жидкости и буферной промывочной жидкости и коммутатора распределено подключены по напряжению питания к блоку управления и контроля, к входу которого подключен комплекс сбора данных и ввода задания режима обработки жидкости, причем корпус в верхней части электрохимической ячейки снабжен коллектором сбора попутного газа, выделяемого с поверхности катода и подсоединенного к каналу утилизации через пористый разделитель, кольцевая катодная камера вдоль своей длины дополнительно снабжена большими и малыми кольцевыми перегородками из диэлектрика, большие кольцевые перегородки наружными поверхностями плотно прилегают к внутренней поверхности корпуса электрохимической ячейки и с зазором граничат с наружной поверхностью втулки из проницаемого диэлектрика, а в промежутках между большими кольцевыми перегородками смонтированы малые кольцевые перегородки из диэлектрика, их наружные поверхности с зазором расположены по середине каждого кольцевого катода, а внутренние поверхности малых кольцевых перегородок плотно охватывают втулку из проницаемого диэлектрика, причем большие кольцевые перегородки расположены между торцевыми зазорами колец составного катода.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено управляемым дозатором, через который анодная камера со стороны ввода буферной промывочной жидкости сообщена с вводом биологически полезных микроэлементов и веществ, при этом управляемая цепь дозатора биологически полезных микроэлементов и веществ распределено подключена по напряжению питания к блоку управления и контроля.
