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

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.