Устройство для электрохимической обработки жидкостей
Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки воды и водных растворов и может быть использовано для регулирования кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности воды и водных растворов для очистки и обеззараживания воды и других жидких сред, а также для получения моющих, дезинфицирующих, стерилизующих и лечебных растворов. Устройство для электрохимической обработки жидкости содержит коаксиально расположенные стержневой и цилиндрический электроды, установленные в диэлектрических втулках и коллекторных головках, имеющих каналы для ввода и отвода жидкости, по внутренней поверхности которых выполнены по спирали канавки или выступы с шагом, равным (0,1-1,0)d, где d - внутренний диаметр втулки или головки соответственно, причем диэлектрические втулки и диэлектрические коллекторные головки установлены с возможностью поворота на 360° относительно друг друга. Технический эффект - повышение эффективности работы устройства, снижение плотности тока. 8 з.п. ф-лы, 13 ил.
1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды и водных растворов, и может быть использовано для регулирования кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств и каталитической активности воды и водных растворов, для очистки и обеззараживания воды и других жидких сред, а также для получения моющих, дезинфицирующих, стерилизующих и лечебных растворов.
2. Уровень техники
Известно устройство для раздельного получения воды, обработанной в катодной и анодной камерах - католита и анолита, из подсоленной воды, использующихся соответственно в качестве моющего и обеззараживающего растворов в медицине, состоящее из цилиндрического электролизера с коаксиально расположенными электродами и диафрагмой между ними, разделяющей внутреннее пространство на катодную и анодную камеры (Заявка Японии №1-104387, кл. С02F 1/46, 21.04.1989 г.).
Недостатками данного устройства являются неудовлетворительная гидродинамика, смешивание продуктов анодных и катодных электрохимических реакций при использовании диафрагмы большой протекаемости, а также большие затраты ручного труда при сборке и ремонте электролизера.
Известно также устройство, активирующее водные системы за счет их перемещения (вращения) в электромагнитном поле (RU №2192902, М. кл.7: А61N 5/00, А61К 41/00, 2001 г.).
Недостатками известного устройства являются его конструктивная сложность и значительные энергетические затраты на активирование жидкости.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для электрохимической обработки воды, которое состоит из коаксиально расположенных стержневого и цилиндрического электродов, установленных на диэлектрических втулках и коллекторных головках, керамическую ультрафильтрационную диафрагму, коаксиально размещенную между электродами и разделяющую межэлектродное пространство на электродные камеры, верхние и нижние втулки и коллекторные головки имеют каналы и патрубки для подвода и отвода обрабатываемой воды (RU №2088539, М. кл.7: С02F 1/46, 1995 г.).
Недостатком данного устройства является ограниченная степень активации проходящего через устройство раствора, малые концентрации продуктов электролиза, получаемых на выходе при заданных параметрах входного раствора, и малый срок службы анода из-за повышенной плотности тока.
3. Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является повышение эффективности работы устройства, снижение плотности тока и повышение надежности.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в устройстве для электрохимической обработки жидкостей, содержащем как минимум одну электрохимическую ячейку, выполненную из вертикальных коаксиальных стержневого и цилиндрического электродов, установленных в диэлектрических втулках и коллекторных головках, в которых по внутренней поверхности выполнены по спирали канавки или выступы с шагом, равным (0,1-1,0) d, где d -внутренний диаметр втулки или головки соответственно, диэлектрические втулки и диэлектрические коллекторные головки установлены с возможностью поворота на 360° относительно друг друга. Канавки или выступ имеют соответственно глубину или высоту, равную расстоянию между диафрагмой и электродом. Угол между стенками канавки или выступа составляет не менее 60°. На входах и выходах электродных камер устанавливаются диэлектрические вставки с двумя и более плоскими лопатками, расположенными под углом, равным 5°-80°, к поверхности вставки и развернутые друг относительно друга в противоположные стороны. Внутренний стержневой электрод имеет на внешней поверхности спиральные канавки или выступы с шагом, составляющим не менее 0,1L, где L - длина электрода. Канавки или выступы в диэлектрических втулках и коллекторных головках выполнены таким образом, чтобы обеспечить как одностороннее, так и встречное вращение жидкости в анодной и катодной камерах. Каналы и штуцеры во втулках и головках выполнены так, что жидкость поступает во внутреннюю полость втулок и головок по касательной.
4. Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен общий вид устройства в разрезе.
На фиг.2 и 3 представлены диэлектрические втулки и коллекторные головки в разрезе.
На фиг.4 и 5 представлены варианты расположения штуцеров диэлектрических втулок и коллекторных головок.
На фиг.6, 7, 8 представлена диэлектрическая вставка и ее разрез.
На фиг.9, 10, 11 представлен внутренний стержневой электрод и его разрез.
На фиг.12 и 13 представлены варианты вращения жидкости в камерах устройства.
Электрохимическая ячейка (фиг.1) состоит из коаксиальных внутреннего стержневого или трубчатого электрода 1, диэлектрических коллекторных головок 2, в которых крепится электрод 1, диэлектрических вставок 3, создающих вращательное движение жидкости в электродных камерах, диафрагмы 4, диэлектрических втулок 5, в которые герметично входит электрод 6. Диафрагма 4 разделяет межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры. Втулки 5 и головки 2 выполнены с каналами для подачи и отвода жидкости и снабжены штуцерами 7. На внутренней поверхности втулок 5 и головок 2 выполнены по спирали канавки или выступы 8, которые создают вращательное движение жидкости в межэлектродном пространстве с углом между стенками канавки или выступа не менее 60°. Канавки или выступы выполнены с шагом, равным (0,1-1,0) d, где d - внутренний диаметр втулки или головки (максимальное значение указанного диапазона не существенно закручивает поток, а минимальное вызывает недопустимое увеличение гидравлических сопротивлений движению потока). Канавки или выступы имеют глубину (высоту), равную расстоянию между диафрагмой и электродом.
На поверхности внутреннего электрода 1 выполнена спиральная канавка или выступ, которые создают вращение жидкости. На входах и выходах анодной и катодной камер могут устанавливаться диэлектрические вставки 3, создающие вращательное движение жидкости относительно внешнего трубчатого электрода 6 и диэлектрических втулок 5, в которые герметично входит электрод 6. Диафрагма 4 разделяет межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры. На концах внутреннего электрода имеется резьба, с помощью которой происходит стягивание всей конструкции и герметизация электродных камер с помощью резиновых колец.
Между электродами установлена керамическая пористая диафрагма в виде цилиндра или усеченного конуса с расширением вниз или вверх. Цилиндрическая диафрагма с равномерным сечением по всей длине будет создавать одинаковую скорость вращения во всех камерах устройства. Диафрагма в виде усеченного конуса с расширением вниз будет создавать большую скорость вращения в камере внутреннего электрода, а диафрагма в виде конуса с расширением вверх будет создавать большую скорость вращения жидкости в камере внешнего электрода.
Такое выполнение устройства позволяет создать вращательйое движение жидкости в анодной и катодной камерах, что приводит к дополнительному пересечению жидкостью электромагнитных полей и более длительному нахождению единичного объема жидкости в межэлектродном пространстве, более интенсивному перемешиванию продуктов электролиза, образующихся у поверхности электродов, что в конечном счете повышает степень активации проходящего через анодную и катодную камеры раствора, позволяя получать более концентрированные продукты электролиза при заданных параметрах входного раствора. Повышение концентрации электрических зарядов в получаемых продуктах электролиза при заданных параметрах входного раствора позволяет снизить потребляемую устройством мощность от 5 до 20%. Кроме того, канавка для уплотнительного кольца внутреннего электрода выполнена переменного сечения и имеет конусное расширение, начинающееся от внешней поверхности электрода на глубину канавки 0,1-0,5 мм под углом 5°-50° к боковой поверхности канавки, что устраняет разрушение уплотнителвного кольца, снижает нагрузку на керамическую диафрагму и сохраняет герметичность электродной камеры на весь период эксплуатации электрода.
Диафрагма выполнена в виде цилиндра или конуса с толщиной стенки 0,5-1,2 мм и изготовлена из пористой керамики на основе оксида циркония, оксида алюминия и оксида иттрия в соотношении: оксид циркония 58-89%, оксид алюминия 9-40%, оксид иттрия 0,5-8%, и расстояние между внутренней поверхностью диафрагмы и внешней поверхностью центрального электрода, а также между внешней поверхностью диафрагмы и внутренней поверхностью внешнего электрода составляет 0,1-2,0 мм. Полученные экспериментальным путем соотношения компонентов диафрагмы, ее геометрических размеров и расстояний от диафрагмы до электродов позволяют получить наименьшее электрическое сопротивление в диафрагме и в электродных камерах при протекании электрического тока в процессе электролиза, что позволяет снизить энергопотребление всей электрохимической ячейки.
5. Осуществление изобретения
Устройство работает следующим образом.
Обрабатываемая жидкость через штуцеры 7 поступает во внутреннюю полость диэлектрических втулок 5 и коллекторных головок 2, где с помощью канавок или выступов 8 создается вращение жидкости. Вращаемая жидкость поступает в анодную и катодную камеры электродов 1 и 6, где происходит электролиз и разделение продуктов электролиза с помощью пористой диафрагмы 4 на анолит и католит. С выхода электродных камер обработанная жидкость поступает во внутренние полости диэлектрических втулок 5 и коллекторных головок 2 и через штуцеры 7 отводится для дальнейшего использования. Для поддержания вращательного движения жидкости в электродных камерах поверхность внутреннего электрода может выполняться со спиральной канавкой или выступом, а также на входах и выходах электродных камер могут устанавливаться диэлектрические вставки 3, создающие вращение проходящей через них жидкости.
Экспериментальные исследования показали, что за счет вращения жидкости в электромагнитном поле электролизера степень активирования обработанной жидкости существенно повышалась.
Проверка результатов активирования производилась следующим образом.
В стаканы с водой, обработанной по способу-прототипу и заявленному изобретению, опускались одновременно таблетки Аспирина УПСА, которые быстро растворялись, вращаясь и шипя. При этом в стакане с водой, обработанной по заявленному изобретению, растворение происходило в 1,2-1,4 раза быстрее.
1. Устройство для электрохимической обработки жидкости, содержащее коаксиально расположенные стержневой и цилиндрический электроды, установленные в диэлектрических втулках и коллекторных головках, имеющих каналы для ввода и отвода жидкости, по внутренней поверхности которых выполнены по спирали канавки или выступы с шагом, равным (0,1-1,0)d, где d - внутренний диаметр втулки или головки, соответственно, причем диэлектрические втулки и диэлектрические коллекторные головки установлены с возможностью поворота на 360° относительно друг друга.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канавки или выступы имеют, соответственно, глубину или высоту, равную расстоянию между диафрагмой и электродом, и угол между стенками канавки или выступа составляет не менее 60°.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на входах и выходах электродных камер установлены диэлектрические вставки с двумя и более плоскими лопатками, расположенными под углом, равным 5°÷80° к поверхности вставки и развернутыми друг относительно друга в противоположные стороны.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний стержневой электрод имеет на внешней поверхности спиральные канавки или выступы с шагом, составляющим не менее 0,1L, где L - длина электрода.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канавки или выступы в диэлектрических втулках и коллекторных головках выполнены таким образом, чтобы обеспечить как одностороннее, так и встречное вращение жидкости в анодной и катодной камерах.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каналы и штуцеры в диэлектрических втулках и коллекторных головках выполнены с возможностью поступления жидкости во внутреннюю полость втулок и головок и выхода из нее по касательной.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диафрагма выполнена в виде цилиндра или усеченного конуса с расширением вниз или вверх.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диафрагма выполнена из пористой керамики с толщиной стенки 0,5÷1,2 мм и расстояние между диафрагмой и любым электродом составляет 0,1÷2,0 мм.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канавка для уплотнительного кольца внутреннего электрода выполнена переменного сечения и имеет конусное расширение, начинающееся от внешней поверхности электрода на глубину канавки 0,1÷0,5 мм под углом 5°÷50° к боковой поверхности канавки.
