Устройство для электрохимической очистки воды
Изобретение относится к электролитическому устройству для очистки закисленных вод. Устройство включает катод, анод и ионообменную мембрану, причем мембрана располагается между катодом и анодом и, по меньшей мере, непрерывно охватывает периферийную область, электролитическое устройство в верхней и нижней периферийных областях оснащено большим числом впускных патрубков и выпускных патрубков, соединенных с катодным и/или анодным отсеком так, что в катодном и анодном отсеке формируется поршневой режим потока, который, в идеальном случае, характеризуется ламинарным профилем течения. Изобретение обеспечивает пригодное устройство для жидкостей с низкими концентрациями ионов с низким энергопотреблением в заданном эксплуатационном режиме. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к электролитическому устройству для очистки закисленных вод, включающему катод, анод и ионообменную мембрану, причем мембрана располагается между катодом и анодом и, по меньшей мере, непрерывно охватывает всю периферийную область, при этом электролитическое устройство в верхней и нижней периферийных областях оснащено большим числом впускных патрубков и выпускных патрубков, соединенных с катодным и/или анодным отсеком так, что в катодном и в анодном отсеке формируется поршневой режим потока, который, в идеальном случае, характеризуется ламинарным профилем течения.
Очистка закисленных серной кислотой вод из оставшихся открытых горных выработок в настоящее время выполняется главным образом путем затопления посторонней, при необходимости, кондиционированной водой, ввиду больших объемов требуемой воды. Однако этот способ в значительной степени ограничивается доступностью подводимой воды, затратами на ее транспортировку и буферной емкостью основания. Очистка карьерных вод во многих случаях с помощью известкования является неэффективной вследствие высокого стехиометрического избытка оснόвных веществ.
Патент DE 19624023 В1 представляет способ очистки закисленных вод, в котором процесс очистки воды проводится без примешивания каких-либо добавок к очищаемой воде. В отличие от стандартной нейтрализации, эффект очистки достигается не добавлением щелочного раствора с высоким значением рН к воде, но путем отделения протонов с помощью электрохимического разделения в катодной частичной реакции электролитического процесса, как показано ниже в уравнениях общего процесса:
(1) 4H+ + 4е- → 2H2
(2) 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH-
Аналогичным образом, одновременное электрохимическое восстановление кислорода, растворенного в воде, до гидроксидных ионов в общем обусловливает нейтрализующее действие.
(3) 2H2O + О2 + 4e- → 4OH-
Реакция (3), однако, вносит лишь незначительный вклад в катодную очистку воды. Применение ионообменной мембраны между анодным и катодным отсеками электролитической ячейки дополнительно обеспечивает то, что с повышением значения рН - и с гидролизом и осаждением алюминия и присутствующих ионов тяжелых металлов - также значительно снижается содержание солей. Для этой цели процесс катодной очистки воды сочетается с процессом анодного синтеза. Если наличествуют сульфатные ионы, на аноде могут происходить следующие реакции:
(4) 2H2O → 4H+ + O2 + 4e-
(5) 2SO4 2- → S2O8 2- + 2e-
В реакции согласно уравнению (4) образующиеся протоны насыщаются сульфатными ионами, мигрирующими в анодный отсек, где сначала образуется и концентрируется серная кислота. Во втором случае сульфатные ионы окисляются с образованием пероксодисульфата, накапливающегося в анодном отсеке. В последующих процессах возможно выделение этих продуктов. Подобным образом, также есть возможность использовать водород, образующийся в катодной реакции в качестве продукта.
Патенты GB 2057507 А или DE 3614005 А1 описывают электролитические устройства, которые в общем пригодны для вышеупомянутых процессов. Электролитические ячейки, известные для промышленного применения на предприятиях хлорно-щелочного электролиза, описаны в патентах DE 19641125, DE 19740637 или DE 19641125. Среди прочего, такие ячейки состоят из катодного и анодного отсеков, заключающих катод и анод, соответственно. Ионообменная мембрана располагается между электродами, и внутренность каждого отсека подразделена электродом на электродную камеру и заднюю электродную камеру. Электродная камера ограничена мембраной и электродом, и задняя электродная камера составлена электродом и соответственной задней стенкой ячейки. Каждая ячейка имеет впускной патрубок и выпускной патрубок.
Недостаток, характерный для этих теоретически известных процессов и известных устройств, состоит в том, что очень высокое электрическое напряжение должно быть подведено к известным электролитическим устройствам, чтобы очистить жидкости, концентрация ионов в которых очень низка, по сравнению с традиционными электролитическим процессами, например, как в хлорно-щелочном электролизе, и поэтому их удельная электрическая проводимость очень плохая.
Поэтому цель настоящего изобретения состоит в обеспечении устройства, которое пригодно для жидкостей с низкими концентрациями ионов и характеризуется низким энергопотреблением в заданном эксплуатационном режиме.
Названная цель достигается согласно изобретению обеспечением электролитического устройства для очистки воды, включающего катод, анод и ионообменную мембрану, причем ионообменная мембрана располагается между катодом и анодом и охватывает, по меньшей мере, всю периферийную область. Верхняя и нижняя секции периферийных областей электролитического устройства оснащены большим числом впускных патрубков и выпускных патрубков для обеспечения прохождения жидкости через катодный и/или анодный отсек.
Было обнаружено, что в устройстве согласно настоящему изобретению формируется в значительной степени ламинарный профиль потока с относительно узким спектром времени удерживания, который может быть описан как поршневой режим течения. При использовании этого устройства получаются исключительно хорошие результаты разложения, наряду с низким потреблением электрической энергии. Для формирования стабильного ламинарного течения при низком энергопотреблении максимальное расстояние от электрода до мембраны составляет 5 мм и минимальное 1,5 мм. Предпочтительный вариант исполнения состоит в том, что электролитическое устройство скомпоновано как агрегат отдельных ячеек. Такая отдельная ячейка по существу состоит из двух отсеков, причем самый крайний наружный край отсеков составляет круговой фланец, к круговой кромке которого примыкает край ячейки, которая граничит с соответственной задней стенкой ячейки. Электроды прикреплены изнутри к соответствующей задней стенке ячейки с помощью перемычек, и напротив перемычек, т.е. на стороне электрода, обращенной к мембране, расположены распорки для фиксирования мембраны и подведения электрического тока. Таким путем электрод, а также анодный и катодный отсек подразделяются на несколько параллельных суб-отсеков.
В заданном эксплуатационном режиме большое количество таких отдельных ячеек подвешены последовательно одна за другой в плоско-параллельном положении на опорном приспособлении и скреплены между собой распорками, с пропусканием по ним электрического тока от одной к другой в вертикальном направлении к мембране и поверхностям электродов.
В преимущественном варианте впускные патрубки и выпускные патрубки располагаются позади электрода, если смотреть от мембраны, и каждый суб-отсек оснащен, по меньшей мере, одним впускным патрубком и одним выпускным патрубком. Дальнейшее усовершенствование состоит в том, что пространство между задней стенкой ячейки и электродом, то есть задняя электродная камера, заполнена инертным материалом более чем на 90% так, что в заданном эксплуатационном режиме вода - за исключением небольших периферийных протоков - проходит в пространство между электродом и мембраной. В идеальном случае задняя электродная камера является полностью закупоренной.
Для улучшения конфигурации потока для введения и выпуска жидкостей инертному материалу в зоне впускных патрубков и выпускных патрубков придается такая форма, или он снабжается надлежащим проемом, чтобы обеспечить образование одного или нескольких каналов параллельно верхней и нижней стенкам ячейки. Жидкость тогда будет протекать через зазор, сформированный между кромкой соответствующего электрода, и краем ячейки. В идеальном случае этот зазор между верхней и нижней кромками электрода и краем ячейки имеет минимальную ширину 0,5 мм и максимальную ширину 5 мм.
Поскольку объем потока в катодном отсеке очень велик, катод дополнительно оснащается проемами, отверстиями или тому подобными на верхнем и нижнем крае. Вода, протекающая в заднюю катодную камеру, тем самым может проходить надлежащим образом в катодный отсек без какой-либо необходимости повышать давление в питающем трубопроводе.
В идеальном случае, анод устройства согласно настоящему изобретению изготовлен из просечно-вытяжного металлического листа, и катод изготовлен из плоского листового металла. Элементы набивки, заполняющей заднюю электродную камеру, преимущественно являются скошенными вдоль вертикальных кромок для обезвоживания задней электродной камеры и предотвращения коррозии.
Изобретение также относится к электролитическому устройству для очистки воды, которое скомпоновано как фильтр-пресс и состоит из большого числа отдельных ячеек, уложенных друг на друга. Каждая из этих отдельных ячеек имеет анодный и катодный отсек, а также диафрагму или ионообменную мембрану, расположенную между ними. Каждая отдельная ячейка отделена от соседней ячейки биполярными стенками ячейки. Анодные и катодные отсеки могут быть наполнены волокнистым материалом, который является проницаемым для жидкостей и упругим, и служит для фиксирования ионообменной мембраны.
Преимущественный вариант исполнения предполагает, что на стороне электрода, обращенной к мембране, расположены распорки, которые служат для фиксирования мембраны и проведения энергии, с помощью которых электрод и пространство между электродом и мембраной подразделяется на несколько суб-отсеков, причем каждый суб-отсек оснащен, по меньшей мере, одним впускным патрубком и одним выпускным патрубком.
Устройство может быть усовершенствовано подбором уплотняющего материала, который располагается выше и ниже пространства между мембраной и электродом таким образом, что множество впускных патрубков и выпускных патрубков пропущены через уплотняющий материал и, в идеальном случае, могут быть закреплены на нем с помощью болтов.
Фиг.1-3 иллюстрируют преимущественные варианты исполнения устройства согласно настоящему изобретению. Фиг.1 показывает электролитическую ячейку 1 в горизонтальной проекции. Круговой фланец 2 ячейки оснащен регулярно расположенными резьбовыми отверстиями 3 для болтов. Верхний край 4 ячейки, который не показан в Фиг.1, оснащен большим числом впускных патрубков 5. Нижний край 6 ячейки, который также не показан, оснащен идентичным количеством выпускных патрубков 7.
Вся электролитическая ячейка 1 в целом подразделена на суб-отсеки 8, причем каждый суб-отсек 8 оснащен впускным патрубком 5 и выпускным патрубком 7. Вид в разрезе согласно Фиг.2 показывает область впускного патрубка электролитической ячейки 1 в вертикальном сечении по линии А. Катодный отсек 9 имеет катодную камеру 12 между катодом 10 и ионообменной мембраной 11. В заднюю катодную камеру 13 вставлен пластмассовый элемент 14 набивки, который срезан наискосок под углом к впускному патрубку 5 так, что ниже края 6 ячейки образуется канал 15 с треугольным сечением. Закупоривание задней катодной камеры 13 ведет к полному отклонению жидкости в ячейке через концевой зазор 16 и отверстия 17 в катоде 10 в области канала 15 в катодное пространство 12. На задней стенке ячейки дополнительно показана контактная лента 20, которая соединяет соседние электролитические ячейки 1 для обеспечения электропроводности.
Компоновка анодного отсека 18 и составляющие его компоненты являются по существу такими же. Дополнительные отверстия 17 в аноде 19 вблизи краевого зазора 16 не предусматриваются, так как объемы потоков являются меньшими, чем на катодной стороне.
Фиг.3 показывает вид сечения вдоль линии В из Фиг.1. Изображены элементы 14 набивки, которые вставлены в задние камеры электродов, каждый элемент 14 набивки, заполняющий целиком один суб-отсек 8, и суб-отсеки 8 сформированы перегородками 21, которые поддерживают электроды и соединены с задней стенкой соответственного отсека ячейки. В катодной камере 12 и анодной камере 22 распорки 23 расположен в области перегородок 21, которые локально фиксируют ионообменную мембрану 11.
Список ссылочных обозначений
1 Электролитическая ячейка
2 Фланец ячейки
3 Резьбовые отверстия для болтов
4 Верхний край ячейки
5 Впускной патрубок
6 Нижний край ячейки
7 Выпускной патрубок
8 Суб-отсек
9 Катодный отсек
10 Катод
11 Ионообменная мембрана
12 Катодная камера
13 Задняя катодная камера
14 Элементы набивки
15 Канал
16 Краевой зазор
17 Отверстия
18 Анодный отсек
19 Анод
20 Контактная лента
21 Перегородка
22 Анодная камера
23 Распорка
1. Электролитическое устройство для очистки воды, содержащее катод, анод и ионообменную мембрану, которая расположена между катодом и анодом и распространяется, по меньшей мере, на всю периферийную область, отличающееся тем, что верхняя и нижняя периферийные области электролитического устройства снабжены большим числом впускных патрубков и выпускных патрубков, причем электролитическое устройство скомпоновано в виде сборки отдельных ячеек, по существу, состоящих из двух отсеков, причем самый крайний наружный край отсеков составляет круговой фланец, к круговой кромке которого примыкает край ячейки, которая граничит с соответственной задней стенкой ячейки, причем электроды закреплены изнутри на соответствующей задней стенке ячейки с помощью перегородок, и напротив перегородок, то есть на стороне электрода, обращенной к мембране, расположены распорки для фиксирования мембраны и проведения энергии, причем электрод, а также анодные и катодные камеры, образованные между соответственным электродом и мембраной, подразделены на несколько параллельных суб-отсеков.
2. Электролитическое устройство по п.1, отличающееся тем, что впускные патрубки и выпускные патрубки расположены позади электрода, если смотреть от мембраны, и, по меньшей мере, один впускной патрубок и один выпускной патрубок приданы каждому суб-отсеку.
3. Электролитическое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что пространство между задней стенкой ячейки и электродом заполнено инертным материалом более чем на 90% так, что при заданном эксплуатационном режиме вода, за исключением небольших периферийных протоков, проходит в пространство между электродом и мембраной.
4. Электролитическое устройство по п.2, отличающееся тем, что инертному материалу в области впускных патрубков и выпускных патрубков придана форма таким образом, или он снабжен надлежащим отверстием так, чтобы обеспечить формирование одного или нескольких каналов параллельно стенке ячейки.
5. Электролитическое устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между верхним и нижним краями электрода и краем ячейки имеет минимальную ширину 0,5 мм и максимальную ширину 5 мм.
6. Электролитическое устройство по п.1, отличающееся тем, что катод снабжен отверстиями, проемами или тому подобными на верхнем и нижнем краях напротив впускных патрубков и выпускных патрубков.
7. Электролитическое устройство по п.1, отличающееся тем, что анод изготовлен из просечно-вытяжного металлического листа, и катод изготовлен из плоского листового металла.
8. Электролитическое устройство по п.3, отличающееся тем, что элементы набивки являются скошенными вдоль верхнего края для обезвоживания задней электродной камеры.
9. Электролитическое устройство по п.1, отличающееся тем, что электролитическое устройство сконструировано в виде фильтр-пресса и состоит из большого числа отдельных ячеек, уложенных друг на друга, каждая из этих отдельных ячеек имеет анодный и катодный отсеки, а также диафрагму или ионообменную мембрану, расположенную между ними, и отделена от соседней ячейки биполярными стенками ячейки.
10. Электролитическое устройство по п.9, отличающееся тем, что на стороне электрода, обращенной к мембране, расположены распорки, которые служат для фиксирования мембраны и проведения питания, с помощью которых электрод и пространство между электродом и мембраной подразделяются на несколько суб-отсеков, причем каждый суб-отсек снабжен, по меньшей мере, одним впускным патрубком и одним выпускным патрубком.
11. Электролитическое устройство по любому из пп.9 и 10, отличающееся тем, что уплотнительный материал, который расположен выше и ниже пространства между мембраной и электродом, скомпонован таким образом, что впускные патрубки и выпускные патрубки проходят через этот уплотнительный материал и, в идеальном случае, могут быть закреплены на нем с помощью болтов.
12. Электролитическое устройство по любому из пп.9 и 10, отличающееся тем, что расстояние от электрода до ионообменной мембраны в перпендикулярном направлении составляет от 5 мм до 1,5 мм.
