Пристрій для електрохімічної обробки води

Винахід відноситься до області регулювання хімічного складу мінералізованих вод, зокрема до пристроїв для електрохімічної обробки природних та стічни х вод, та може бути використаний в електронній, медичній, фармацевтичній, хімічній, харчовій промисловості та інших галузях народного господарства для пом’якшення води, її освітлення та очищення від іонів токсичних металів. З патенту ФРГ №2218725, кл.85 с/4, 1972р., відомо пристрій для електрохімічної обробки води, що містить діелектричну ємність, розділену по вертикалі проникливою діафрагмою на анодну та катодну камери з розміщеними в них, відповідно, розчинним анодом та катодом, підключених до джерела електричного струму. Пристрій має примикаючи до ємності патрубки уводу води і її відводу з анодної та катодної камер. При допомозі такого пристрою можливо проводити очищення промислових стічних вод від іонів металів внаслідок реалізації в конструкції умов протікання відповідних електрохімічних реакцій. Але для їх проведення потрібні значні витрати електроенергії. Найбільш близьким до запропонованого пристрою по технічній суті та досягаемому результату являється пристрій для електрохімічної обробки води по авторському свідоцтву СРСР №565889, кл. С02С5/12, публікація 1977р., що як більш досконале технічне рішення розглядається в якості прототипу заявляемого винаходу. Такий пристрій містить діелектричну ємність, розділену по вертикалі проникною діафрагмою на анодну та катодну камери з розміщеними в них, відповідно, анодом та катодом в вигляді паралельно встановлених пластинелектродів, підключених до джерела електричного струму. Пристрій також містить примикаючи до ємності патрубки уводу води та її відводу з анодної та катодної камер. Приведені ознаки прототипу є схожими з ознаками, що входять в сук упність істотних ознак, що характеризують заявляємий винахід. Відомий пристрій має, крім того, додатковий нерозчинний анод, встановлений між патрубком уводу води та розчинним анодом. За рахунок цього в пристрої досягається зниження споживання електроенергії. Між тим, поліпшенню експлуатаційно-технічних показників відомого пристрою - прототипу перешкоджають такі причини: - в пристрої має місце небажане попадання позитивних іонів металів в патрубок відводу аноліту, що зв'язано з фактом недостатньо повної взаємодії води з електродною поверхнею, чи другими словами, рівномірність та повнота протікання електрохімічних реакцій не забезпечується об'єктом - прототипом в повній мірі; - відомий пристрій не дає можливості здійснити глибоку демінералізацію води. В основу винаходу поставлена задача шляхом вдосконалення пристрою для електрохімічної обробки води, внесенням змін у конструкцію ємності і узгодженою з нею зміною розташування пластин-електродів, забезпечити рівномірність та повноту протікання електрохімічних реакцій по поверхні електродів. Друга задача по більш повному очищенню води вирішується за рахунок удосконалення пристрою на основі його оснащення додатковим блоком аналогічної конструкції та своєрідного виконання між ними зв'язком, що дозволяє досягнути максимального видалення катіонів з очищаємої води. Чергова задача по більш повному очищенню води від іонів важких металів попутно вирішується завдяки вибору матеріалу анода в додатковому блоці пристрою, а задача захисту його катода від механічних-ерозійних впливів - розташуванням діафрагми. Детально вирішення поставленої задачі досягається за рахунок того, що пристрій для електрохімічної обробки води, як і прототип, містить діелектричну ємність, розділену по вертикалі проникливою діафрагмою на анодну та катодну камери, з розміщеними в них, відповідно, анодом та катодом в вигляді паралельно встановлених пластин - електродів, підключених до джерела електричного струму, а також містить примикаючи до ємності патрубки уводу води та її відводу з анодної та катодної камер, відрізняється від об'єкта-прототипу тим, що бокові крайки анода по висоті заглиблені в стінку ємності з створенням обгинаючого каналу-щілини, що з'єднує об'єм між діафрагмою та анодом з його заелектродним простором, що зв'язаний з патрубком відводу води з анодної камери. При цьому об'єм між діафрагмою та катодом зв'язаний з патрубком уводу води в ємність та поєднаний зі своїм заелектродним простором, зв'язаним з патрубком відводу води з катодної камери за допомогою каналу-щілини між верхнім краєм катода та зверненою до неї стінкою ємності. Друга відзнака заключається в тому, що пристрій додатково забезпечений блоком, аналогічної конструкції з створенням двоступеневого комплекса, де патрубок відводу води з катодної камери першого ступеня зв'язаний через патрубок увода води другого ступеня з її анодною камерою. Наступна відзнака заключається в тому, що анод другого ступеня виконано з матеріалу, що має властивості генерувати хімічний сорбент видаляємого металу, а діафрагма другого ступеня розташована безпосередньо біля його катода. Ознаки вказаної відмінності у сукупності з ознаками, що являються схожими для відомого і заявляемого пристрою, дозволяють при реалізації останнього вирішити поставлені задачі. Виконання бокових крайків анода по висоті заглибленими в стінку ємності з створенням огинаючого каналущілини, поєднуючого об'єм між діафрагмою і анодом з його заелектродним простором, що зв'язаний з патрубком відводу води з анодної камери, виключає попадання позитивно заряджених іонів металів в патрубок відводу аноліта. Це проходить завдяки тому, що геометрія каналу-щілини, як підтвердили натурні іспити, забезпечує гальмування позитивно заряджених іонів металів і повернення останніх за рахунок електромагнітних сил в катодну камеру. До того ж, описане виконання каналів в вигляді щілини, дає можливість організувати потік води таким чином, щоб він омивав як можливо більшу поверхню електродів, що в підсумку сприяє забезпеченню рівномірності та повноти протікання електрохімічних реакцій в пристрої. Поліпшення пристрою шляхом оснащення його додатковим блоком аналогічної конструкції та своєрідне виконання між ними зв'язку, дає можливість здійснити подачу води з катодної камери першого ступеня в анодну камеру другого ступеня. При цьому огинаючий канал-щілина додаткового блоку виконує роль перешкоди для попадання позитивно зарядженнях іонів металів в порожнечу за анодом. А так як видалення негативних іонів з води здійснюється в першому ступені пристрою, то в другому ступені реалізується функція по поглибленій демінералізації води. Виконання анода другого ступеня з матеріалу, що має властивості генерувати хімічний сорбент видаляємого з води металу, забезпечує при проходженні електричного струму між анодом та катодом додаткового блоку виникнення закису металу. Виниклий закис металу анода вступає у взаємодію з шестивалентними металами, знижує їх валентність, та переходить в стан гідрату закису метала, а потім в гідрат його окису. Так як гідрат окису метала нерозчинний в воді і є добрим сорбентом двох та трьохвалентних іонів металів, то досягається висока ефективність очищення стічної води від широкої гами іонів металів, що в ній присутня. Розташування діафрагми другого ступеня безпосередньо біля катода, наділяє діафрагму допоміжною функцією, що полягає в захисті поверхні катода від механічно-ерозійного впливу продуктів електрохімічних реакцій, що проходять в корпусі пристрою. Таким чином, ознаки зформульованої відмінності у сукупності з ознаками, що є схожими для запропонованого та відомого пристрою-прототипу, дозволяють при використанні заявляемого винаходу досягнути описаного вище технічного результату, тобто знаходяться з ним у причинно-наслідковому зв'язку. Виходячи з цього, можна стверджувати, що ознаки, характеризуючи винахід, є істотними. Винахід пояснюється за допомогою креслень, де на фіг.1 показана схема запропонованого пристрою для електрохімічної обробки води, на фіг.2 дано розріз по А-А фіг.1. Фігура 3 схематично ілюструє пристрій в вигляді двоступеневого комплекса. На фіг.4 показано комплекс, де діафрагма другого ступеня розташована поблизу катода. Пристрій для електрохімічної обробки води містить діелектричну ємність 1, розділену по вертикалі проникливою діафрагмою 2 на анодну 3 та катодну 4 камери з розміщеними в них, відповідно анодом 5 та катодом 6 в вигляді паралельно встановлених в ємність пластин-електродів. Останні підключені до джерела постійного електричного струму (на фігура х не показано). До ємності примикають патрубок 7 уводу очищаємої води, патрубок 8 відводу води з анодної камери 3 та патрубок 9 відводу води з катодної камери 4. Бокові крайки 10 (див. фіг. 2) анода 5 по всій його висоті заглиблені в стінку ємності 1 з створенням обгинаючого каналу-щілини 11, що з'єднує об'єм між діафрагмою 2 та анодом 5 з заелектродним простором 12. Заелектродний простір 12 зв'язаний з патрубком 8 відводу води з анодної камери 3. Об'єм між діафрагмою 2 та катодом 6 зв'язаний з патрубком 7 уводу води в ємність 1 та поєднаний зі своїм заелектродним простором 13, зв'язаним з патрубком відводу води з катодної камери 4 за допомогою каналу-щілини 14 між верхнім крайком катода 6 та зверненою до нього стінкою ємності 1. Заелектродний простір 13 з'єднаний з патрубком 9 відводу води з катодної камери 4. На фіг.3 показано описаний пристрій з додатковим блоком (зображено праворуч від основного блоку), що має аналогічну конструкцію, та створює двоступеневий комплекс, де патрубок 9 відводу води з катодної камери першого ступеня зв'язаний через патрубок 7 уводу води др угого ступеня з її анодною камерою 3. Пристрій працює таким чином. Вода по патрубку 7 подається в катодну камеру 4. Під дією постійного електричного поля, іони металів, що несуть позитивний заряд, рухаються в сторону катода 6. Потік води омиває катод 6, виносить іони металів через вузький проміжок 14 між катодом 6 та діелектричним корпусом ємності 1. При цьому частина води поступає з катодної камери 4 через діафрагму 2 в анодну камеру 3. Одночасно в анодну камеру 3 надходять негативно заряджені іони металів. Разом с потоком води в анодну камеру проникають позитивно заряджені іони металів. Наявність огинаючого каналу-щілини 11 забезпечує гальмування позитивно заряджених іонів металів та їх повернення за рахунок електромагнітних сил в катодну камеру 4. В умовах глибокої демінералізації води, її потік з катодної камери 4 першого ступеня комплекса пристрою (див. фіг. 3) подається в анодну камеру 3 другого ступеня. При цьому частина води надходить через діафрагму 2 в катодну камеру 4 другого ступеня. Огинаючий канал-щілина 11 другого ступеня не дозволяє позитивно зарядженим іонам металів проникати в простір за анодом 5. А так як негативні іони були видалені з води в першому ступені пристрою, то в другому ступені пристрою досягається значне покращення фізико-хімічних параметрів оброблюємої води. Для додаткового очищення води від іонів шестивалентних металів, анод другого ступеня виробляється з матеріалу, що має властивості генерувати хімічний сорбент іонів шестивалентних металів, наприклад з заліза. В цьому випадку при проходженні електричного струму між анодом 5 та катодом 6 другого ступеня пристрою, створюється закис заліза. Закис заліза, вступає у взаємодію з іонами шестивалентних металів, знижує їх валентність, переходячи в стан гідрату закису заліза, а потім в гідрат окису заліза. Гідрат окису заліза нерозчинний в воді і є добрим сорбентом двох- та трьохвалентних іонів металів. Тим самим досягається висока ефективність очищення від широкої гами іонів металів, присутніх в воді. Очищена від іонів металів вода виводиться через патрубок 9 другого ступеня пристрою. Щільність електричного струму, напруга на електродах та швидкість потоку води в пристрої підбирається в залежності від початкової та потрібної кінцевої жорсткості оброблюємої води. Іспити натурного зразка пристрою, проведені на протязі півроку, підтвердили його високу ефективність. Результати іспитів приведені в таблиці. Таблиця Параметр Водневий показник, рН Хром шестивалентний Залізо Нікель Цинк Мідь Концентрація метала в воді, мг/л Відносна ефективність До обробки в Після обробки в обробки (очищення води), % заявляемому пристрої заявляемому пристрої 6,20 7,00 40,00 0,56 98,60 50,00 0,45 99,10 55,80 0,72 98,70 42,00 3,72 91,14 13,70 0,36 97,37 При цьому витрати електроенергії на очищення одного літра води становлять 1,5Вт/л. Експлуатаційні витрати (вартість електроенергії та вартість витрачаємого матеріалу анода другого ступеня пристрою) становлять $ 0,004/л. Пристрій може бути виготовлено в умовах звичайного сучасного машинобудівного виробництва.