Электролизер с неподвижными электродами для электрохимической очистки сточных вод и получения нескольких неорганических перекисных соединений


 

C25B9/08 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2605084:

Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (АО "НИФХИ им. Л.Я. Карпова") (RU)

Изобретение относится к электролизеру с неподвижными электродами для электрохимической очистки сточных вод и получения нескольких неорганических перекисных соединений, содержащему коаксиально установленные катод и анод цилиндрической формы, разделенные ионоселективной мембраной. При этом анод выполнен из стеклоуглерода марки СУ-2000, катод изготовлен из никеля, причем внутри катода установлен технологический узел Ni сетка + углеграфитовый волокнистый материал - катализатор/сорбент, катод соединен с днищем и крышкой, образуя корпус электролизера, на дне катодного пространства устанавливают металлокерамические распиливающие элементы. Технической задачей данного изобретения является создание универсальной установки-электролизера, позволяющей снизить энергоемкость, материалоемкость и эксплуатационные расходы, а также с высокой эффективностью не только очищать сточные воды с широким спектром загрязнений, но и получать несколько неорганических перекисных соединений. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкции электролизных установок, и может быть использовано для получения нескольких неорганических перекисных соединений, а также для очистки сточных вод.

Известно устройство для электрохимической активации воды и водных растворов, используемой для питьевых целей [Патент RU №2277070, МПК C02F 1/46], в котором коаксиально расположены положительно и отрицательно заряженные электроды, полупроницаемая диафрагма между ними, нижняя и верхняя коллекторные головки с гидравлическими каналами, стягиваемые резьбовым соединением. Отрицательно заряженный электрод имеет форму полого цилиндра с винтовой канавкой на внутренней поверхности, установлен вертикально и выполняет функцию корпуса. Положительно заряженный электрод выполнен в виде стержня с резьбовыми наконечниками, наружная поверхность которого имеет винтовую канавку и резьбовые наконечники, шаг винтовой канавки на стержне выполнен равным шагу винтовой канавки отрицательно заряженного электрода, при этом разделенные цилиндрическим сепаратором из микропористой пластмассы выступы винтовой канавки стержня расположены напротив впадин винтовой канавки отрицательно заряженного электрода. За счет выполнения на катоде и аноде винтовых канавок для ориентированной подачи потоков обрабатываемой жидкости обеспечивается турбулентное движение обрабатываемой жидкости. Это увеличивает площадь взаимодействия потока с электродами, а также использование в этом полого цилиндрического сепаратора из микропористой пластмассы. Этими признаками достигается указанный выше технический результат.

Для подачи воды в устройство она должна быть предварительно очищена от механических примесей с помощью общеизвестных фильтров.

Недостатками данной конструкции являются повышенный расход электроэнергии на активацию воды, так как получают два потока - католит и анолит, и отсутствие возможности получения единого потока воды с заданным потенциалом.

Известен [Патент RU №2078737, МПК C02F 1/461], в котором разработано устройство для электрохимической обработки воды, содержащее электрохимическую ячейку. Электрохимическая ячейка состоит из коаксиальных внешнего цилиндрического электрода, внутреннего стержневого электрода и керамической диафрагмы между ними. Внешний электрод герметично и жестко закреплен в нижней и верхней диэлектрических втулках. С втулками соединены нижняя и верхняя диэлектрические коллекторные головки. В головках выполнены также осевые каналы, в которые входят концевые части внутреннего электрода. Диафрагма зафиксирована в головках с помощью прокладок. Внутренний электрод фиксируется с помощью упругих уплотнений и размещенными прижимными шайбами и гайками. На концах электрода выполнена резьба. Нижняя и верхняя втулки выполнены соответственно с каналами и для подвода и отвода обрабатываемой воды в камеру цилиндрического электрода. Каналы выведены на боковую поверхность втулок и снабжены штуцерами. Коллекторные головки соединены с втулками с помощью пазовых соединений. Головки выполнены с каналами для подвода обрабатываемой воды в камеру стержневого электрода. Каналы выведены на боковую поверхность головок и снабжены штуцерами. Упругие прокладки размещены в пазовых соединениях.

Существенным недостатком данной конструкции является ограниченное ее применение для электрохимической обработки воды.

Во-первых, в данной конструкции поток обрабатываемой воды поступает в электролизер снизу вверх, т.е. в режиме восходящего прямотока. Так как стержневой электрод выполнен переменного сечения и диаметр его концевых частей составляет 0,75 диаметра его средней части, при этом его средняя часть с большим диаметром расположена на уровне выхода воды, то в этих условиях реализуется режим газлифта. Соотношение газовой и жидкой фаз очень мало, что не позволяет обеспечить хорошую абсорбцию выделяющегося молекулярного хлора, т.е. низкую скорость окисления загрязнений.

Во-вторых, судя по величине окислительно-восстановительного потенциала раствора анолита, основным дезинфицирующим агентом является молекулярный хлор. Как известно, при окислении загрязнений молекулярным хлором образуются канцерогенные хлорорганические продукты.

В-третьих, применение в качестве анодных материалов электродов типа ОРТА допустимо при электрохимической обработке воды с высоким содержанием хлорид ионов. Так как скорость коррозии ОРТА определяется концентрацией хлорид ионов в растворе.

В-четвертых, высоки капитальные затраты на изготовление таких электролизеров и эксплуатационные затраты при их использовании для электрохимической очистки воды.

Технической задачей данного изобретения является создание универсальной установки-электролизера, позволяющей снизить энергоемкость, материалоемкость и эксплуатационные расходы, а также с высокой эффективностью не только очищать сточные воды с широким спектром загрязнений, но получать несколько неорганических перекисных соединений.

Поставленная задача достигается тем, что электролизер с неподвижными электродами для электрохимической очистки сточных вод и получения нескольких неорганических перекисных соединений содержит коаксиально установленные катод и анод цилиндрической формы, разделенные ионоселективной мембраной, при этом анод выполнен из стеклоуглерода марки СУ-2000, а катод изготовлен из никеля, причем внутри катода установлен технологический узел Ni сетка + УГВМ катализатор/сорбент, при этом катод при соединении с днищем и крышкой образует корпус электролизера с установленными на дне катодного пространства металлокерамическими распиливающими элементами. Внутри анода из стеклоуглерода расположен узел для охлаждения поверхности анода. В случае работы в режиме очистки сточной воды поток обрабатываемой воды поступает в катодное пространство электролизера сверху вниз, при этом поток озон-кислородной смеси, генерируемый на аноде, поступает в обрабатываемую воду в электролизере через распиливающие металлокерамические элементы снизу в верх. В случае работы в режиме электролиза получается два товарных продукта: разбавленные щелочные растворы перекиси водорода и озон-кислородная смесь.

Предлагаемая конструкция электролизера изображена на фиг. 1, где 1 - никелевый корпус, 2 - технологический узел, состоящий из никелевой сетки и УГВМ, 3 - анод из стеклоуглерода, 4 - фторопластовый каркас для крепления ионообменной мембраны или фильтрующей диафрагмы, 5 - ионоселективная мембрана, 6 - штуцер для подачи анолита, 7 - штуцер для подачи католита, 8 - верхний разделительный диск, 9 - днище, 10 - крышка, 11 - нижний разделительный диск, 12 - узел для охлаждения поверхности анода, 13 - штуцер для подачи охладителя, 14 - штуцер для вывода охладителя, 15 - прижимные диски, 16 - болтогаечные соединительные комплекты, 17 - верхняя гайка, 18 - нижняя гайка, 19 - штуцер для выхода анолита, 20 - штуцер для выхода католита и входа озон-кислородной смеси, 21 - втулка, 22 - штуцер для выхода озон-кислородной смеси, 23 - штуцер для выхода очищенной воды. Электролизер состоит из никелевого корпуса в виде коаксиально расположенного катода (1), анода из стеклоуглерода (3) цилиндрической формы. Катод цилиндрической формы при соединении с днищем (9) и крышкой (10) образует корпус электролизера. Анод также цилиндрической формы расположен внутри электролизера коаксиально катоду. Межэлектродное расстояние между катодом и анодом 50-60 мм. Катодное и анодное пространство разделяет ионоселективная мембрана (5). Расстояние мембраны от анода не более 5 мм. Мембрана крепится на фторопластовом цилиндре, также коаксиально расположенным. Поверхность фторопластового цилиндра имеет перфорационные отверстия. Фторопластовый цилиндр с мембраной закрепляется на верхнем разделительном диске (8), отделяющем рабочее пространство электролизера от крышки. Внутри корпуса-катода устанавливается цилиндрической формы технологический узел, состоящей из никелевой сетки и углеграфитового волокнистого материала (УГВМ) (2). Катод изготавливается из никелевого листа толщиной 2-3 мм, диаметром 50-60 мм, материалом анода служит стеклоуглерод марки СУ-2000 диаметром 29-30 мм. Крышка (10) и днище (9) имеют цилиндрическую форму и изготавливаются из фторопласта. Крышка служит для подачи анолита (штуцер 6), выхода озон-кислородной смеси из анодного пространства (штуцер 22) и для крепления анода (верхняя гайка 17). Днище служит для выхода отработанных анолита и католита. Днище также имеет 2 штуцера: через один удаляется анолит (19), через другой (20) - католит, штуцер для вывода католита также служит для подачи озон-кислородной смеси в катодное пространство. Благодаря такой конструкции электролизера становится возможным прямая подача озон-кислородной смеси из анодного пространства в катодное, что способствует интенсификации проводимых процессов, снижению их энергоемкости. Подача католита или очищаемой сточной воды в электролизер, осуществляется посредством штуцера (7), входящего непосредственно в катодное пространство. Днище также используется для крепления анода.

Рабочее пространство электролизера отделяется от крышки и днища верхним и нижним разделительными дисками (8, 11), изготовленными из фторопласта. В верхнем разделительном диске с двух сторон выполнены канавки для закрепления в них каркаса для диафрагмы, технологического узла Ni + УГВМ, катода, крышки. В нижнем разделительном диске также имеются канавки для крепления технологического узла и днища. Между нижним разделительным диском и днищем расположена фторопластовая втулка (21). На втулке выполнены канавки для размещения уплотнительных фторопластовых колец, в которые герметично устанавливается анод, фторопластовый каркас с мембраной или диафрагмой (4). Анод из стеклоуглеродного материала внутри полый, и эта полость выполняет роль охлаждающей камеры. Узел для охлаждения поверхности анода (12) вставляется в верхнюю часть анода. На нижнюю часть анода, надевается втулка со сквозным отверстием. Вместе с втулкой анод крепится на днище. Через втулку потоки отработанных анолита и католита соединяются с выходными патрубками. Катод и днище так же, как катод и крышка, соединяются с помощью болтогаечного соединения (16) и прижимных дисков (15).

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Пример 1. Режим электрохимической очистки сточной воды.

Электрохимическую очистку сточной воды осуществляют в электролизере с анодом из стеклоуглерода СУ-2000 и комбинированным катодом (корпус + технологический узел Ni + УГВМ катализатор/сорбент). В анодное пространство электролизера через штуцер 6 заливают 40% раствора NH4HF2, а в катодное пространство электролизера через штуцер 7 пропускают поток сточной воды с химическим потреблением кислорода (ХПК) = 115 мг O2/л. Задают токовую нагрузку на электролизер 20 А. Выделяющаяся озон-кислородная смесь инжектируется снизу вверх в очищаемую сточную воду. Скорость потока озон-кислородной смеси с концентрацией озона 25% составляет 6,9 л/ч. По окончании заданного времени очистки определялся перманганатный индекс воды. ХПК составило = 25 мг O2/л.

Пример 2. Режим электросинтеза нескольких неорганических перекисных соединений.

Электрохимический синтез нескольких неорганических соединений персульфата аммония и разбавленных щелочных растворов перекиси водорода осуществляют в электролизере с анодом из стеклоуглерода СУ-2000 и комбинированном катодом (корпус + технологический узел Ni + УГВМ катализатор/сорбент). В анодное пространство электролизера через штуцер 6 заливается 3М раствор (NH4)2SO4, а в катодное пространство электролизера через штуцер 7 заливается 1%-10% раствор NaOH. Задают токовую нагрузку на электролизер 20 А. Выделяющаяся озон-кислородная смесь инжектируется снизу вверх в катодное пространство электролизера. Скорость потока озон-кислородной смеси с концентрацией озона 2 об. % составляет 0,73 л/ч. По истечении заданного времени отключают токовую нагрузку. Из анодного пространства через штуцер (19) сливают раствор сульфата аммония и определяют в нем количество персульфат ионов и далее рассчитывают выход по току (NH4)2S2O8. Выход по току (NH4)2S2O8 = 90%. Из катодного пространства через штуцер (20) сливали раствор NaOH, определяли в нем количество пероксид ионов и далее рассчитывали выход току H2O2. Выход по току H2O2 = 60%.

Высокая эффективность электрохимической очистки сточной воды и электросинтеза неорганических перекисных соединений достигается в результате протекания следующих процессов.

1. На аноде происходит окисление молекул воды с образованием озон-кислородной смеси. При этом одновременно модифицируется поверхность анода в результате электрохимической сорбции функциональных фторкарбоновых групп, что снижает скорость коррозии анодов из СУ 2000.

2. На комбинированном катоде протекают процессы электровосстановления органических загрязнений и молекулярного кислорода до перекиси водорода. Применение в комбинированном катоде углеграфитовых волокнистых материалов с высокой пористостью и тканной структурой позволяет снять диффузионные ограничения. В катодном пространстве протекают процессы жидкофазного окисления органических загрязнений активным кислородом, образующимся при каталитическом разложении озона перекисью водорода. На комбинированном катоде также осуществляется электрохимически управляемая сорбция органических загрязнений.

Техническим результатом предлагаемого изобретения конструкции является обеспечение снижения энергоемкости не менее чем на 30%, материалоемкости на 50% и эксплуатационных расходов в 5-10 раз.

Это достигается за счет:

- применения модифицированных электродов с улучшенной электрокаталитической активностью и коррозионной стойкостью из стеклоуглерода с наноразмерными поверхностными фторкарбоновыми группами и с наноразмерным поверхностным оксидом, также из углеграфитовых волокнистых материалов с наноразмерными карбоксильными и фенольными группами в электрохимическое производство персульфата аммония и пероксида водорода и жидкофазных адсорбционных технологий водоочистки, водоподготовки модифицированных углеграфитовых волокнистых материалов с улучшенной сорбционной емкостью и увеличенным межрегенерационным периодом с наноразмерными поверхностными карбоксильными, фенольными и др.,

- возобновляемой модификации поверхности электродов при работе электролизера,

- использования единого корпуса, при этом конструкция содержит меньше соединительных элементов вне корпуса электролизера, что позволяет снизить массогабаритные характеристики, повысить надежность и безопасность электролизера в эксплуатации.

Из приведенного выше описания понятно, что предлагаемое изобретение может быть реализовано как в соответствии с рассмотренным примером, так и в других конкретных формах без отступления от существа изобретения, определенного заявленной формулой.

1. Электролизер с неподвижными электродами для электрохимической очистки сточных вод и получения нескольких неорганических перекисных соединений, содержащий коаксиально установленные катод и анод цилиндрической формы, разделенные ионоселективной мембраной, при этом анод выполнен из стеклоуглерода марки СУ-2000, катод изготовлен из никеля, причем внутри катода установлен технологический узел Ni сетка + углеграфитовый волокнистый материал - катализатор/сорбент, катод соединен с днищем и крышкой, образуя корпус электролизера, на дне катодного пространства устанавливают металлокерамические распиливающие элементы.

2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что внутри анода из стеклоуглерода расположен узел для охлаждения поверхности анода.

3. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что при работе в режиме очистки сточной воды поток обрабатываемой воды поступает в катодное пространство электролизера сверху вниз.

4. Электролизер по п. 3, отличающийся тем, что поток озон-кислородной смеси, генерируемый на аноде, поступает в обрабатываемую воду в электролизере через распиливающие металлокерамические элементы снизу вверх

5. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что при работе в режиме электролиза получаются разбавленные щелочные растворы перекиси водорода и озон-кислородная смесь.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к очистителю, который разделяет газы, полученные в электролитическом генераторе из загрязнителей электролита, а также электролитическому генератору, содержащему такой очиститель, и способу газоочистки.

Настоящее изобретение относится к ячейке для расщепления воды, имеющей по меньшей мере один электрод, содержащий пористую мембрану, причем пористая мембрана является по меньшей мере частично гидрофобной, и газ, получаемый по меньшей мере на одном электроде, диффундирует из ячейки через пористую мембрану.

Изобретение относится к способу получения нитрата церия (IV) электрохимическим окислением нитрата церия (III) в анодной камере электролизера, содержащей раствор с начальной концентрацией ионов церия (III) 100-130 г/л и начальной концентрацией свободной азотной кислоты в анолите и в католите 8-12 г/л, при плотности тока на платинированном ниобиевом аноде 1-3 А/дм2.

Изобретение относится к способу эксплуатации бифункциональной электрохимической системы, содержащей анодную и катодную электродные камеры с четырехходовыми клапанами на входе и выходе из электродных камер, резервуар-сепаратор с водой, соединенный с анодной и катодной камерами и с контейнерами хранения водорода и кислорода, насосы, включающему очистку от газов анодной и катодной электродных камер при смене режимов работы, отличающемуся тем, что систему снабжают дополнительными насосами и дополнительным резервуаром-сепаратором с водой, сообщающимся с источником поступления воды и имеющим выходы для подсоединения трубопроводов к входам анодной и катодной камер бифункциональной электрохимической системы, осуществляют очистку электродных камер путем закачивания в них воды из дополнительного резервуара и вытеснения оставшихся газов из анодной и катодной камер в контейнеры для хранения водорода и кислорода.

Изобретение относится к электролизной ванне для получения кислой воды. Ванна содержит: корпус 100, оснащенный двумя наполнительными камерами 110а и 110b, разделенными одной ионообменной мембраной 111, при этом каждая из наполнительных камер 110а и 110b снабжена впускными отверстиями 112а и 113а для воды и выпускными отверстиями 112b и 113b для воды, сформированными в камере; первую группу 200 электродов, установленную в наполнительной камере 110а; вторую группу 300 электродов, установленную рядом с ионообменной мембраной 111 в наполнительной камере 110b и имеющую полярность, противоположную первой группе 200 электродов; и третью группу 300' электродов с такой же полярностью, что и вторая группа 300 электродов, установленную в наполнительной камере 110b на заданном расстоянии от второй группы электродов 300.

Изобретение может быть использовано в производстве гетерогенных катализаторов, обладающих высокоразвитой поверхностью, и электродов в литий-ионных батареях. Электрохимический способ получения наноразмерных структур оксида титана (IV) включает анодное окисление титанового электрода в ионной жидкости с добавлением воды или пропиленгликоля в атмосфере воздуха.

Изобретение относится к двум вариантам устройства для разложения воды. Согласно одному варианту устройство включает по меньшей мере один катод и по меньшей мере один анод, размещенные между первым наружным полимерным слоем и вторым наружным полимерным слоем, причем между упомянутым по меньшей мере одним катодом и упомянутым по меньшей мере одним анодом размещен по меньшей мере один разделительный слой, и при этом упомянутый по меньшей мере один разделительный слой разделяет упомянутый по меньшей мере один анод и упомянутый по меньшей мере один катод и обеспечивает возможность протекания электролита между ними.

Изобретение относится к технологическому оборудованию, предназначенному для использования в производстве озонаторных установок. Устройство состоит из, по меньшей мере, одной электродной системы, включающей два подключенных к источнику питания переменного тока паяных пластинчато-ребристых электрода (ПРЭ) и размещенный между ними с заданной величиной разрядного промежутка средний ПРЭ.

Изобретение относится к способу получения ванилина. Способ включает электрохимическое окисление водной лигнинсодержащей суспензии или раствора на аноде, причем в качестве анода используют серебряный электрод.

Группа изобретений предназначена для жизнеобеспечения пилотируемых космических полетов на Марс. Физико-химическая секция предназначена для получения кислорода, воды, оксида углерода, аммиака и удобрений на основе азота.

Изобретение относится к биотехнологии. Предложен способ очистки от нефти и нефтепродуктов пресноводных объектов и экосистем.

В способе отделения твердого вещества из суспензии твердого вещества в воде сополимер полиорганосилоксана с полиалкиленоксидом, характеризующийся разветвленной структурой полиорганосилоксана, добавляют в суспензию твердого материала в воде и суспензия обезвоживается.

Изобретения могут быть использованы для растворения и/или ингибирования отложения накипи на поверхности систем посредством приведения поверхности систем в контакт с композицией.

Изобретение относится к области гидротехники, а именно к устройствам, обеспечивающим механическую и химическую очистку воды. Водоприемно-очистное устройство содержит цилиндрический корпус, разделенный перфорированными перегородками на фильтрующие секции, загрузку, перфорированную трубу.

Изобретение относится к электрохимической обработке воды с целью регулирования ее кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств для использования в медицине, промышленности, микроэлектронике, лазерной технике и сельском хозяйстве.

Изобретение относится к устройству и способу для опреснения морской воды с использованием солнечной энергии для непрерывной подачи тепла и к области опреснения морской воды (включая опреснение внутренней жесткой воды).

Группа изобретений может быть использована для обработки и обеззараживания природных, оборотных и сточных вод до норм питьевой воды. Система содержит ресивер (1) и три роторно-дисковых аппарата-РДА (2,4,6), соединенных последовательно.

Изобретение относится к физико-химическим средствам очистки и обезараживанию загрязненных жидких сред. Способ электроочистки и обеззараживания загрязненных жидкостей включает в себя электросорбцию загрязнений путем пропускания жидкости через сегнетокерамический фильтрующий зернистый материал 1, помещенный в знакопостоянное электрическое поле, и последующую десорбцию фильтрующего материала.

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к способу детоксикации белого фосфора в загрязненной почве. Обеззараживание выполняют путем обработки загрязненной белым фосфором почвы штаммом Trichoderma asperellum ВКПМ F-1087.

Изобретение относится к способам очистки воды от щавелевой кислоты посредством ее полного окисления с образованием углекислого газа и воды (минерализации), может применяться для водоподготовки и/или очистки стоков различных производств и направлено на защиту окружающей среды и здоровья человека.

Изобретение относится к способу получения питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия и устройству для его осуществления. Способ включает охлаждение питьевой воды путем добавления гранул твердого диоксида углерода в соотношении воды к диоксиду углерода 1 : 10, перемешивание в течение 15-20 минут при скорости вращения мешалки 45-50 об/мин, обработку воды электромагнитным полем низких частот в интервале 18-48 Гц в процессе перемешивания, фильтрование через металлокерамический обеспложивающий фильтр с получением жидкой и твердой фаз, сбор жидкой фазы, обедненной дейтерием, нагревание и утилизацию твердой фазы. Изобретение обеспечивает эффективное получение питьевой воды с пониженным содержанием дейтерия. 1 ил.
Наверх