Спосіб очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції

Реферат: UA 71512 U UA 71512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області очищення води від розчинених в ній сполук, що знаходяться в іонізованому вигляді, 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. 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 3 водневих іонів. Концентрацію водневих іонів спочатку зменшують до 103-105 ммоль/см , потім 3 3 підвищують з 105 ммоль/см до 109-1011 ммоль/см , після чого знову знижують до рівня 107 ± 5 3 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, розташованого над нею [2]. У відомому способі постійне електричне поле створюють при імпульсному характері зміни щільності струму. У результаті цього отримують суміш радикалів [ОН] і [НО 2]. Потім здійснюють транспортування отриманих радикалів до оброблюваної рідини. Час транспортування зазначених радикалів має задовольняти вимогу tтp < tc, де tтp - час транспортування радикалів, a tc - час встановлення стаціонарної концентрації радикалів. Після цього здійснюють змішання радикалів з оброблюваної 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 від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції, 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 хлорсрібного 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 Mn (III, IV) або неорганічний сорбент - оксиди Mn (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 від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції. Недоліком даного способу очищення мінералізованих розчинів від стронцію і кальцію є низька ефективність очищення води від розчинених домішок, що знаходяться в іонізованому стані. Низька ефективність очищення води від іонізованих домішок обумовлена високими питомими витратами на очищення води, які, в свою чергу, зобов'язані високій питомій витраті електроенергії через ведення процесу електрохімічної обробки води при потенціалах електродів, вище потенціалів розкладання води на катоді і на аноді, а також через необхідність використання додаткових реагентів для здійснення технологічного процесу очищення. Низька ефективність очищення води від іонізованих домішок і, відповідно, високі питомі витрати на очищення води обумовлені крім того і наявністю газовиділення (водню на катоді і кисню на аноді), яке тягне за собою необхідність застосування додаткових операцій і додаткового 1 UA 71512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 устаткування для видалення газів, що утворюються, і запобігання можливості утворення вибухонебезпечної суміші водню і кисню. Сукупними ознаками найближчого аналога і способу, що заявляється, очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції є: - подання води, що очищується від іонів, в поровий простір об'ємного електрода з розвиненою поверхнею; - електрохімічна адсорбція іонів на об'ємний електрод з розвиненою поверхнею в умовах постійної електродної поляризації; - виведення очищеної від іонів води з порового простору об'ємного електрода; - використання як об'ємного електрода тонкодисперсного матеріалу, що має електронну провідністю. В основу технічного рішення, що заявляється, поставлена задача в способі очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції шляхом запобігання газовиділенню на електродах, а також шляхом запобігання використанню додаткових реагентів для здійснення технологічного процесу очищення води від іонів забезпечити підвищення ефективності очищення води від іонів за рахунок ведення процесу електрохімічної адсорбції/десорбції розчинених іонів при потенціалах, які лежать нижче потенціалів розкладання води на катоді і на аноді. Очікуваним результатом технічного рішення, що заявляється (способу очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції) є зниження питомої витрати електроенергії та запобігання використанню додаткових хімічних реагентів на процес очищення води від розчинених катіонів та аніонів. Зазначений технічний результат досягається тим, що в способі очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції, що включає подання води, що очищується від іонів, в поровий простір об'ємного електрода з розвиненою поверхнею, електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод з розвиненою поверхнею в умовах постійної електродної поляризації, витримування води, що очищується від іонів, в поровому просторі об'ємного електрода і використання як об'ємного електрода тонкодисперсного матеріалу, що має електронну провідність, відповідно з технічним рішенням, подання води, що очищується від іонів, в поровий простір об'ємного електрода з розвиненою поверхнею здійснюють в пульсуючому режимі, а електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації ведуть з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу, причому електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу ведуть при середньому значенні сумарного потенціалу, що забезпечує максимальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, і електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу ведуть при піковому значенні сумарного потенціалу, що не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, а також витримування води, що очищується від іонів, у поровому просторі об'ємного електрода здійснюють до заданої залишкової концентрації 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, при цьому виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася при електрохімічної адсорбції, шляхом витіснення останньої вихідною водою виробляють до появи проскакування концентрації іонів в очищеній воді, виведеної з порового простору об'ємного електрода, а появу проскакування концентрації іонів в очищеній воді, виведеної з порового простору об'ємного електрода, контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН), причому як об'ємний електрод з неметалічного тонкодисперсного матеріалу використовують активоване вугілля та/або тонкодисперсний порошок оксидів Mn (III, IV) та/або Re (III, IV) та/або Ті (IV) та/або Zr (IV), а після закінчення процесу електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу виробляють електрохімічну десорбцію іонів з об'ємного електрода в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу, крім того електрохімічну десорбцію іонів з об'ємного електрода в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу проводять при середньому значенні сумарного потенціалу, що забезпечує мінімальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода, але не перевищує потенціалів розкладання води на катоді або на аноді, а виведення з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічної десорбції, здійснюють зі швидкістю, яка забезпечує задану 2 UA 71512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 концентрацію солей в регенерату та виведення з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічної десорбції, здійснюють шляхом витіснення останнього вихідною водою, а також виведення з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічної десорбції, шляхом витіснення останнього вихідною водою виробляють до зрівнювання концентрації іонів у воді, що вводиться в поровий простір, і у воді, що виводиться з порового простору об'ємного електрода і зрівняння концентрації іонів у воді, що вводиться в поровий простір, і у воді, що виводиться з порового простору об'ємного електрода, контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН). Суть способу, що заявляється, очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції полягає у зниженні питомої витрати електроенергії та запобіганні використанню додаткових хімічних реагентів на процес очищення води від розчинених катіонів та аніонів за рахунок того, що: - при поданні води, що очищується від іонів, в поровий простір об'ємного електрода з розвиненою поверхнею, що здійснюють в пульсуючому режимі і при електрохімічній адсорбції іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації, що проводять з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу при середньому значенні сумарного потенціалу, що забезпечує максимальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляють, і при піковому значенні сумарного потенціалу, що не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, відбувається запобігання газовиділенню на електродах, а також запобігання використанню додаткових реагентів для здійснення технологічного процесу очищення води від іонів, що забезпечує підвищення ефективності очищення води від іонів, тобто веде до досягнення зазначеного технічного результату; - при витримуванні води, що очищується від іонів, у поровому просторі об'ємного електрода, що здійснюють до заданої залишкової концентрації іонів в очищеній воді, а також при виведенні з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася при електрохімічної адсорбції шляхом витіснення останньої вихідної водою до появи проскакування концентрації іонів в очищеній воді, виведеної з порового простору об'ємного електрода, і при контролі появи проскакування концентрації іонів в очищеній воді, виведеної з порового простору об'ємного електрода, виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН), відбувається запобігання використанню додаткових реагентів для здійснення технологічного процесу очищення води від іонів, що забезпечує підвищення ефективності очищення води від іонів, тобто веде до досягнення зазначеного технічного результату; - при використанні як об'ємного електрода з неметалічного тонкодисперсного матеріалу активованого вугілля та/або тонкодисперсного порошку оксидів Mn (III, IV) та/або Re (III, IV) та/або Ті (IV) та/або Zr (IV) відбувається запобігання використанню додаткових реагентів для здійснення технологічного процесу очищення води від іонів, що забезпечує підвищення ефективності очищення води від іонів, тобто веде до досягнення зазначеного технічного результату; - при здійсненні після закінчення процесу електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу електрохімічної десорбції іонів з об'ємного електрода в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу при середньому значенні сумарного потенціалу, що забезпечує мінімальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода, але не перевищує потенціалів розкладання води на катоді або на аноді, а також при виведенні з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічної десорбції, зі швидкістю, яка забезпечує задану концентрацію солей в регенераті, шляхом витіснення останнього вихідної водою до зрівнювання концентрації іонів у воді, що вводиться в поровий простір, і у воді, що виводиться з порового простору об'ємного електрода, при контролі зрівнювання концентрації іонів у воді, що вводиться в поровий простір, і у воді, що виводиться з порового простору об'ємного електрода, виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН), відбувається запобігання газовиділенню на електродах, а також запобігання використанню додаткових реагентів для здійснення технологічного процесу очищення води від іонів, що забезпечує підвищення ефективності очищення води від іонів, тобто веде до досягнення зазначеного технічного результату. Таким чином, сукупність відмінних ознак способу, що заявляється, очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції веде до досягнення зазначеного технічного результату. 3 UA 71512 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Крім того суть технічного рішення, що заявляється, ілюструється також і кресленням, на якому зображено послідовність операцій способу очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції в прив'язці до технологічної схеми здійснення процесу. Застосування способу очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції ілюструється таким прикладом конкретного здійснення. Приклад. Опис операцій технологічних процесів. Операція 1 - Подання води в пульсуючому режимі: здійснюється з метою зниження дифузійних обмежень при електрохімічній адсорбції катіонів та аніонів з порового 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 частина 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 середнього 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 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 електропровідність вихідної та очищеної води; здійснюється з використанням аналогового пристрою для визначення та фіксації закінчення процесу електрохімічної адсорбції по проскакуванню іонів в воду, що очищається. 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 блоку спеціальної конструкції для здійснення 4 UA 71512 U 5 10 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. 1. Патент России А «Способ водоочистки и устройство для его осуществления», № 7 2003131810, МПК C02F1/46, C02F1/28. Опубл. 2005.04.10. Заявл. 2003.10.30 № 2003131810/15. Заявитель Федосеев Вячеслав Константинович (RU). Авторы: Федосеев Вячеслав Константинович (RU) и Пайма Владимир Иванович (RU)). 2. Патент России А «Способ очистки водных растворов от ионов стронция и кальция», № 7 2002133998, МПК C02F1/46, C02F5/00. Опубл. 2004.06.27. Заявл. 2002.12.17 № 2002133998/15. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб очищення води від іонів методом електрохімічної адсорбції/десорбції, що включає подання від іонів води, що очищується, в поровий простір об'ємного електрода з розвиненою поверхнею, електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод з розвиненою поверхнею в умовах постійної електродної поляризації, витримування води, що очищується від іонів, в поровому просторі об'ємного електрода і використання як об'ємного електрода неметалевого тонкодисперсного матеріалу, що має електронну провідність, який відрізняється тим, що подання води, що очищується від іонів, в поровий простір об'ємного електрода з розвиненою поверхнею здійснюють в пульсуючому режимі і електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації ведуть з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу, причому електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу ведуть при середньому значенні сумарного потенціалу, що забезпечує максимальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода стосовно катіонів або аніонів, що видаляються, і електрохімічну адсорбцію іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу ведуть при піковому значенні сумарного потенціалу, що не перевищує потенціалу розкладання води на катоді або на аноді, а також витримування води, що очищується від іонів, в поровому просторі об'ємного електрода здійснюють до заданої залишкової концентрації іонів в очищеній воді, а виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася при електрохімічної адсорбції, здійснюють шляхом витіснення останньої вихідною водою, при цьому виведення з порового простору об'ємного електрода очищеної води, що утворилася при електрохімічної адсорбції, шляхом витіснення останньої вихідною водою виробляють до появи проскакування концентрації іонів в очищеній воді, виведеній з порового простору об'ємного електрода, а появу проскакування концентрації іонів в очищеній воді, виведеної з порового простору об'ємного електрода, контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН), причому як об'ємний електрод з неметалічного тонкодисперсного матеріалу використовують активоване вугілля та/або тонкодисперсний порошок оксидів Mn (III, IV) та/або Re (III, IV) та/або Ті (IV) та/або Zr (IV), а після закінчення процесу електрохімічної адсорбції іонів на об'ємний електрод в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу виробляють електрохімічну десорбцію іонів з об'ємного електрода в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу, крім того електрохімічну десорбцію іонів з об'ємного електрода в умовах постійної електродної поляризації з накладенням додаткового пульсуючого потенціалу проводять при середньому значенні сумарного потенціалу, що забезпечує мінімальну адсорбційну ємність подвійного електричного шару матеріалу об'ємного електрода, але не перевищує потенціалів розкладання води на катоді або на аноді, а виведення з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічній десорбції, здійснюють зі швидкістю, яка забезпечує задану концентрацію солей в регенераті, і виведення з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічної десорбції, здійснюють шляхом витіснення останнього вихідною водою, а також виведення з порового простору об'ємного електрода регенерату, що утворився при електрохімічної десорбції, шляхом витіснення останнього вихідною водою виробляють до зрівнювання концентрації іонів у воді, що вводиться в поровий простір, і у воді, виведеній з порового простору об'ємного електрода, і зрівняння концентрації 5 UA 71512 U іонів у воді, що вводиться в поровий простір, і у воді, що виводиться з порового простору об'ємного електрода, контролюють виміром електропровідності та/або концентрації водневих іонів (рН). Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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 6