Спосіб очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції

Реферат: Винахід належить до галузі очищення води від розчинених в ній сполук, що знаходяться в іонізованому вигляді, а також регенерації адсорбента, зокрема до очищення потоків установок спецводоочищення (СВО) на атомних електростанціях (АЕС) від амонійних сполук та інших розчинених у воді домішок, що знаходяться у вигляді катіонів і аніонів, з отриманням очищеного дистиляту, який може бути використаний для технологічних потреб реакторних цехів (РЦ) та інших підрозділів АЕС, і концентрованого регенерату, який надходять на подальшу переробку методом упарювання. Очікуваним технічним результатом способу очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції, є підвищення швидкості переміщення катіонів і аніонів в мікро-, мезо- та макропорах об'ємного електрода при їх адсорбції протягом очищення води, і при їх десорбції протягом регенерації адсорбентів, а також запобіганні газовиділенню на електродах протягом здійснення операцій адсорбції і десорбції при очищенні води і регенерації адсорбентів у пульсуючих режимах. Зазначений технічний результат досягається тим, що в способі очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції, що включає подання води, що очищується, в поровий простір об'ємного електрода, очищення води шляхом електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод, витримування води, що очищується, в поровому просторі об'ємного електрода і виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася після електрохімічної адсорбції, згідно з технічним рішенням, що заявляється, подання води, UA 102033 C2 (12) UA 102033 C2 що очищується, в поровий простір об'ємного електрода здійснюють в пульсуючому режимі, а очищення води шляхом електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод ведуть з накладенням основного постійного і додаткового пульсуючого потенціалу, причому електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод ведуть при середньому сумарному значенні основного постійного і додаткового пульсуючого потенціалу, що забезпечує максимальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, але не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, при цьому витримування води, що очищується, в поровому просторі об'ємного електрода здійснюють протягом часу, що забезпечує задану залишкову концентрацію іонів в очищеній воді, а виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася при електрохімічній адсорбції, здійснюють шляхом витіснення останньої вихідною водою до появи в очищеній воді проскакування іонів, яке контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН), крім того, після виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води здійснюють регенерацію адсорбента шляхом електрохімічної десорбції іонів з об'ємного електрода з накладенням також основного постійного й додаткового пульсуючого потенціалу, причому електрохімічну десорбцію іонів з об'ємного електрода ведуть при середньому сумарному значенні основного постійного і додаткового пульсуючого потенціалу, що забезпечує мінімальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, та не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, при цьому витримування регенерату, що утворюється, в поровому просторі об'ємного електрода здійснюють протягом часу, що забезпечує задану концентрацію регенерату, а виведення з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічній десорбції, здійснюють шляхом витіснення останнього вихідною або очищеною водою до початку зменшення концентрації іонів в регенераті до заданого значення, яке контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН). UA 102033 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі очищення води від розчинених в ній сполук, що знаходяться в іонізованому вигляді, а також регенерації адсорбентів, зокрема до очищення потоків установок спецводоочищення (СВО) на атомних електростанціях (АЕС) від амонійних сполук та інших розчинених у воді домішок, що знаходяться у вигляді катіонів і аніонів, з отриманням очищеного дистиляту, який може бути використаний для технологічних потреб реакторних цехів (РІД) та інших підрозділів АЕС, і концентрованого регенерату, який надходить на подальшу переробку методом упарювання. Відомий спосіб водоочищення і пристрій для його здійснення [1]. Технічна суть відомого способу полягає в пропущенні води через сорбент з одночасним впливом на воду постійним електричним полем. У процесі пропускання води через сорбент змінюють концентрацію водневих іонів. Концентрацію водневих іонів спочатку зменшують до 103-105 ммоль/см, потім 3 підвищують з 105 ммоль/см до 109-1011 ммоль/см, після чого знову знижують до рівня 5 3 107±5·10 ммоль/см . Концентрацію водневих іонів регулюють шляхом зміни просторового розташування іонообмінних мембран в міжелектродному просторі. По ходу руху потоку води, що очищається, в процесі її очищення використовують не менше 2-х типів сорбенту з різними фізико-хімічними характеристиками. Швидкість води плавно зменшують від початку потоку до закінчення процесу очищення. Відомий також спосіб очищення води шляхом впливу електричного струму і постійного електричного поля на обсяг оброблюваної рідини і шар газу, розташований над нею [2]. У відомому способі постійне електричне поле створюють при імпульсному характері зміни щільності струму. У результаті цього отримують суміш радикалів [ОН] і [НО2]. Потім здійснюють транспортування отриманих радикалів до оброблюваної рідини. Час транспортування зазначених радикалів має задовольняти вимогу tт p  tc , де tт p - час транспортування радикалів, a tc - час встановлення стаціонарної концентрації радикалів. Після цього здійснюють змішання радикалів з оброблюваною рідиною і насичення отриманої суміші повітрям в об'ємному співвідношенні повітря: рідина ≥1:1. Недоліком відомих способів очистки води є низька ефективність очищення води від розчинених домішок, що знаходяться в іонізованому стані, що особливо сильно виявляється при їх малих концентраціях, наприклад при концентраціях, порівнянних з концентраціями розчинених домішок у дистиляті, що одержується методом упарювання води на випарних установках. Низька ефективність очищення води від розчинених домішок обумовлена тим, що відомі способи очищення води засновані на комбінації електрохімічних і реагентних процесів видалення розчинених іонізованих домішок, що, в принципі, неприйнятно для очищення води від розчинених іонізованих сполук з концентраціями, порівнянними або навіть нижче добутків розчинності сполук, що утворюються при хімічному осадженні домішок, що видаляються з води. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як найближчий аналог для способу, що заявляється, очищення води та регенерації адсорбенту методом електрохімічної адсорбціїдесорбції, є спосіб очищення мінералізованих розчинів від стронцію і кальцію [2]. Відомий спосіб очищення мінералізованих розчинів від стронцію і кальцію полягає у витяганні стронцію і кальцію на об'ємний електрод з розвиненою поверхнею в умовах катодної поляризації. Поляризацію ведуть до досягнення постійного значення потенціалу, віддаленого від стаціонарного потенціалу занурення на -0,1…-1,6 В відносно хлоросрібного електрода порівняння з 0,05-0,5 н розчину NaCl, що містить стронцій в присутності солей кальцію. Процес очищення здійснюють при безперервній аерації електроліту. Як об'ємний електрод з розвиненою поверхнею використовують вуглецеве волокно або окислене вуглецеве волокно або гранульований сорбент на основі оксидів Мn (III, IV) або неорганічний сорбент - оксиди Мn (III, IV) на вуглецевому носії. Об'ємний електрод витримують при досягнутому постійному значенні потенціалу протягом 1-4,5 год. Даний спосіб очищення мінералізованих розчинів від стронцію і кальцію з технічної суті та з ефекту, що досягається, є найбільш близьким до способу, що заявляється, очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції. Недоліками даного способу очищення мінералізованих розчинів від стронцію і кальцію є: - мала продуктивність процесів очищення мінералізованих розчинів і регенерації адсорбентів, яки обумовлені низькою швидкістю очищення води, а також низькою швидкістю регенерації адсорбентів; - високі питомі витрати електроенергії через ведення процесу електрохімічної обробки води при потенціалах електродів, вище потенціалів розкладання води на катоді і на аноді. Сукупними ознаками найближчого аналога і способу, що заявляється, очищення води та регенерації адсорбенту методом електрохімічної адсорбції-десорбції, є: - подання води, що очищується, в поровий простір об'ємного електрода, 1 UA 102033 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - очищення води шляхом електрохімічної адсорбціїіонів на об'ємний електрод, - витримування води, що очищується, в поровому просторі об'ємного електрода, виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася після електрохімічної адсорбції. В основу технічного рішення, що заявляється, поставлена задача в способі очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції шляхом підвищення швидкості очищення води, а також швидкості регенерації адсорбентів шляхом запобігання газовиділенню на електродах, забезпечити підвищення ефективності очищення води і регенерації адсорбентів за рахунок ведення процесів очищення води та регенерації адсорбентів у пульсуючих режимах та при потенціалах, які лежать нижче потенціалів розкладання води на катоді і на аноді. Очікуваним технічним результатом способу очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції, є підвищення швидкості переміщення катіонів і аніонів в мікро-, мезо- та макропорах об'ємного електрода при їх адсорбції протягом очищення води, і при їх десорбції протягом регенерації адсорбентів, а також запобіганні газовиділенню на електродах протягом здійснення операцій адсорбції і десорбції при очищенні води і регенерації адсорбентів у пульсуючих режимах, наслідком чого є підвищення ефективності очищення води і регенерації адсорбентів. Зазначений технічний результат досягається тим, що в способі очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції, що включає подання води, що очищується, в поровий простір об'ємного електрода, очищення води шляхом електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод, витримування води, що очищується, в поровому просторі об'ємного електрода і виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася після електрохімічної адсорбції, згідно з технічним рішенням, що заявляється, - подання води, що очищується, в поровий простір об'ємного електрода здійснюють в пульсуючому режимі, - очищення води шляхом електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод ведуть з накладенням основного постійного и додаткового пульсуючого потенціалу, - електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод ведуть при потенціалі, середнє сумарне значення якого (основного постійного і додаткового пульсуючого) забезпечує максимальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, але не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, - витримування води, що очищується, в поровому просторі об'ємного електрода здійснюють протягом часу, що забезпечує задану залишкову концентрацію іонів в очищеній воді, - виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася при електрохімічній адсорбції, здійснюють шляхом витіснення останньої вихідною водою до появи в очищеній воді проскакування іонів, яке контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН); - після виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води здійснюють регенерацію адсорбенту шляхом електрохімічної десорбції іонів з об'ємного електрода з накладенням також основного постійного и додаткового пульсуючого потенціалу, - електрохімічну десорбцію іонів з об'ємного електрода ведуть при потенціалі, середнє сумарне значення якого (основного постійного і додаткового пульсуючого) забезпечує мінімальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, та не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, - при цьому витримування регенерату, що утворюється, в поровому просторі об'ємного електрода здійснюють протягом часу, що забезпечує задану концентрацію регенерату, - виведення з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічній десорбції, здійснюють шляхом витіснення останнього вихідною або очищеною водою до початку зменшення концентрації іонів в регенераті до заданого значення, яке контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН). Суть способу очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбціїдесорбції, що заявляється, полягає: у підвищенні швидкості переміщення катіонів і аніонів в мікро-, мезо- та макропорах об'ємного електрода при їх адсорбції протягом очищення води, а також при їх десорбції протягом регенерації адсорбентів; у запобіганні газовиділенню на електродах протягом здійснення операцій адсорбції і десорбції при очищенні води і регенерації адсорбентів у пульсуючих режимах за рахунок того, що: 2 UA 102033 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - при поданні води, що очищується, в поровий простір об'ємного електрода в пульсуючому режимі, при очищення води шляхом електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод з накладенням основного постійного и додаткового пульсуючого потенціалу, при здійсненні електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод при потенціалі, середнє сумарне значення якого (основного постійного і додаткового пульсуючого) забезпечує максимальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, але не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, при витримуванні води, що очищується, в поровому просторі об'ємного електрода протягом часу, що забезпечує задану залишкову концентрацію іонів в очищеній воді, при виведенні з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася при електрохімічної адсорбції, шляхом витіснення вихідною водою до появи в очищеній воді проскакування іонів, яке контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН); при здійснюванні після виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води регенерації адсорбенту шляхом електрохімічної десорбції іонів з об'ємного електрода з накладенням основного постійного и додаткового пульсуючого потенціалу, при електрохімічної десорбції іонів з об'ємного електрода, яку ведуть при потенціалі, середнє сумарне значення якого (основного постійного і додаткового пульсуючого) забезпечує мінімальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, та не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, при витримуванні регенерату, що утворюється, в поровому просторі об'ємного електрода протягом часу, що забезпечує задану концентрацію регенерату, при виведенні з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічної десорбції, шляхом витіснення вихідною або очищеною водою до початку зменшення концентрації іонів в регенераті до заданого значення, яке контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН), відбувається підвищення швидкості очищення води, а також швидкості регенерації адсорбентів, запобігання газовиділенню на електродах, що забезпечує підвищення ефективності очищення води і регенерації адсорбентів. Таким чином, сукупність відмінних ознак способу, що заявляється, очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції веде до досягнення зазначеного технічного результату. Крім того, суть технічного рішення, що заявляється, ілюструється також і кресленням, на якому зображено послідовність операцій способу очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції в прив'язці до технологічної схеми здійснення процесу. Застосування способу очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбції-десорбції ілюструється таким прикладом конкретного здійснення. Приклад. Опис операцій технологічного процесу. Операція 1 - Подання води в пульсуючому режимі: здійснюється з метою зниження дифузійних обмежень при електрохімічній адсорбції катіонів та аніонів з мікро-, мезо- та макропорового простору об'ємного електрода в подвійний електричний шар матеріалу об'ємного електрода. Операція 2 - Вимірювання електропровідності вихідної води: виробляється з використанням стандартного кондуктометра і електродного блока спеціальної конструкції для здійснення можливості регулювання і настройки процесу електрохімічної адсорбції іонів з води, що очищується, на робочу поверхню об'ємного електрода. Операція 3 - Електрохімічна адсорбція іонів з води в ПЕШ об'ємного електрода: здійснюється з метою очищення води від катіонів та аніонів в спеціальному апараті електрохімічної адсорбції-десорбції (апараті ЕАД). Операція 4 - Підведення постійного потенціалу: проводиться від стандартного випрямляча постійного струму з регульованою вихідною напругою до об'ємного електрода для забезпечення максимальної адсорбції катіонів (або аніонів) в щільну частину подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода і протиіонів (аніонів або катіонів) - в дифузну частину подвійного електричного шару. Операція 5 - Контроль постійного потенціалу; здійснюється за допомогою стандартного вольтметра постійної напруги; встановлюється меншим потенціалу максимальної адсорбції іонів в подвійний електричний шар матеріалу об'ємного електрода на величину пікового значення додаткового пульсуючого потенціалу. Операція 6 - Підведення додаткового пульсуючого потенціалу; проводиться від спеціального генератора імпульсів з регульованою величиною пікових значень вихідної напруги до об'ємного 3 UA 102033 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 електрода для забезпечення зниження дифузійних обмежень на процес електрохімічної адсорбції катіонів та аніонів на робочу поверхню матеріалу об'ємного електрода. Операція 7 - Контроль пульсуючого потенціалу; здійснюється за допомогою стандартного вольтметра змінної напруги; встановлюється таким чином, щоб сума постійного потенціалу та середньої величини пульсуючого потенціалу дорівнювала величині потенціалу максимальної адсорбції заданих іонів на заданому матеріалі об'ємного електрода. Операція 8 - Відведення очищеної води; проводиться самопливом по трубопроводу відведення очищеної води. Операція 9 - Вимірювання електропровідності очищеної води; здійснюється з використанням стандартного кондуктометра і електродного блока спеціальної конструкції для здійснення можливості регулювання і настройки процесу електрохімічної адсорбції іонів з води, що очищується, на робочу поверхню об'ємного електрода. Операція 10 - Накопичення очищеної води; виробляється в баці-накопичувачі для здійснення можливості контролю фізико-хімічних параметрів одержуваного продукту (очищеної води). Операція 11 - Порівняння електропровідності вихідної та очищеної води; здійснюється з використанням аналогового пристрою для визначення та фіксації закінчення процесу електрохімічної адсорбції по проскакуванню іонів. Операція 12 - Перемикання постійного потенціалу; проводиться за допомогою спеціального перемикача для переведення установки ЕАД з режиму електрохімічної адсорбції в режим електрохімічної десорбції (зміна потенціалу максимальної адсорбції на потенціал мінімальної адсорбції катіонів та аніонів). Операція 13 - Перемикання пульсуючого потенціалу; здійснюється за допомогою спеціального перемикача для переведення установки ЕАД з режиму електрохімічної адсорбції в режим електрохімічної десорбції (зміна потенціалу максимальної адсорбції на потенціал мінімальної адсорбції катіонів та аніонів). Операція 14 - Електрохімічна десорбція іонів з ПЕШ об'ємного електрода в воду; проводиться з метою регенерації робочої поверхні матеріалу об'ємного електрода від катіонів та аніонів в спеціальному апараті електрохімічної адсорбції-десорбції (апараті ЕАД). Операція 15 - Відведення регенерату; здійснюється самопливом по трубопроводу відводу регенерату. Операція 16 - Вимірювання електропровідності регенерату; виробляється з використанням стандартного кондуктометра і електродного блока спеціальної конструкції для здійснення можливості регулювання і настройки процесу електрохімічної десорбції іонів з подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода в поровий простір. Операція 17 - Накопичення регенерату; виробляється в баці-накопичувачі для здійснення можливості контролю фізико-хімічних параметрів одержуваного продукту (регенерату). Операція 18 - Порівняння електропровідності вихідної води і регенерату; виробляється з використанням аналогового пристрою для визначення та фіксації закінчення процесу електрохімічної десорбції з падіння концентрації іонів в регенерату. Джерела інформації: 1. Патент России А "Способ водоочистки и устройство для его осуществления", № 2003131810, МПК7 10 C02F1/46, C02F1/28. Опубл. 2005.04.10. Заявл. 2003.10.30 № 2003131810/15. 2. Патент России А "Способ очистки водных растворов от ионов стронция и кальция", № 2002133998, МПК7 C02F1/46, C02F5/00. Опубл. 2004.06.27. Заявл. 2002.12.17 № 2002133998/15. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 1. Спосіб очищення води та регенерації адсорбентів методом електрохімічної адсорбціїдесорбції, що включає подання води, що очищується, в поровий простір об'ємного електрода, очищення води шляхом електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод, витримування води, що очищується, в поровому просторі об'ємного електрода і виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася після електрохімічної адсорбції, який відрізняється тим, що подання води, що очищується, в поровий простір об'ємного електрода здійснюють в пульсуючому режимі, а очищення води шляхом електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод ведуть з накладенням основного постійного й додаткового пульсуючого потенціалу, причому електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод ведуть при середньому сумарному значенні основного постійного і додаткового пульсуючого 4 UA 102033 C2 5 10 15 20 потенціалу, що забезпечує максимальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, але не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, при цьому витримування води, що очищується, в поровому просторі об'ємного електрода здійснюють протягом часу, що забезпечує задану залишкову концентрацію іонів в очищеній воді, а виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася при електрохімічній адсорбції, здійснюють шляхом витіснення останньої вихідною водою до появи в очищеній воді проскакування іонів, яке контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН), крім того, після виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води здійснюють регенерацію адсорбенту шляхом електрохімічної десорбції іонів з об'ємного електрода з накладенням також основного постійного й додаткового пульсуючого потенціалу, причому електрохімічну десорбцію іонів з об'ємного електрода ведуть при середньому сумарному значенні основного постійного і додаткового пульсуючого потенціалу, що забезпечує мінімальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, та не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, при цьому витримування регенерату, що утворюється, в поровому просторі об'ємного електрода здійснюють протягом часу, що забезпечує задану концентрацію регенерату, а виведення з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічній десорбції, здійснюють шляхом витіснення останнього вихідною або очищеною водою до початку зменшення концентрації іонів в регенераті до заданого значення, яке контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН). Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5