Патент на изобретение №2398741

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области охраны природы и может найти применение при очистке сточных вод от ядовитых и опасных нерастворимых и малорастворимых органических соединений. Устройство для электролитической обработки жидкости включает цилиндрический корпус с патрубком вывода, соединенный с положительным полюсом источника постоянного тока, и коаксиально размещенный внутри корпуса цилиндрический проточный катод, соединенный с патрубком ввода жидкости и выполненный с отверстиями, в которых закреплены вставки из неэлектропроводного материала. Устройство оснащено диспергатором жидкости с патрубком ввода и патрубком вывода, соединенным с патрубком ввода жидкости в полость катода, отверстия на поверхности которого размещены по винтовой образующей, а закрепленные в них вставки выступают в сторону корпуса устройства и имеют продольный канал, соединяющий полость катода с полостью устройства, при этом выступающая из отверстий часть вставок развернута в вертикальной плоскости в сторону патрубка ввода жидкости и повернута в горизонтальной плоскости относительно боковой поверхности катода. Техническим результатом является снижение затрат на очистку жидкостей за счет повышения эффективности работы устройства; увеличение производительности устройства; повышение степени деструкции нерастворимых и малорастворимых ядовитых и опасных органических соединений с получением экологически безопасных и биологически активных соединений. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области охраны природы, в частности к устройствам, используемым при уничтожении и обезвреживании ядовитых и опасных органических веществ, и может найти применение при очистке сточных вод от ядовитых и опасных нерастворимых и малорастворимых органических соединений, а также в процессах деструкции и переработки ядохимикатов и продуктов их частичного окисления с получением экологически безопасных и биологически активных веществ.

Известно устройство для электролитической обработки жидкости, состоящее из цилиндрического корпуса и размещенного внутри него полого цилиндрического электрода, подключенных к разноименным полюсам источника тока и оснащенных патрубками ввода и вывода (Заявка Японии «Устройство для электролитической обработки жидкости», 46-16254, С02С 5/00, 1977).

Известно устройство для электролитической обработки жидкости, состоящее из цилиндрического корпуса с патрубком вывода и коаксиально расположенного внутри корпуса цилиндрического проточного катода, оснащенного патрубком ввода жидкости, на боковой поверхности которого имеются отверстия с соосно закрепленными в них направляющими жидкости в виде металлических вставок со скошенной поверхностью (А.с. 1619655, СССР, А1 C02F 1/46, 1990, «Устройство для электролитической обработки жидкости»).

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для электролитической обработки жидкости (А.с. 1353742, СССР, А1 C02F 1/46, БИ 43 «Устройство для электролитической обработки жидкости»). Это устройство имеет то же назначение, что и заявляемое. Оно состоит из цилиндрического корпуса с патрубком вывода и коаксиально расположенного внутри корпуса цилиндрического проточного катода, оснащенного патрубком ввода, при этом поверхность катода покрыта слоем диэлектрика и в ней имеются отверстия, внутри которых соосно этим отверстиям размещены направляющие потока жидкости, выполненные в виде вставок из неэлектропроводного материала с возможностью перемещения.

Недостатками известных устройств являются:

– сложность обслуживания устройства, вызванная необходимостью регулировки положения вставок;

– высокое рабочее напряжение;

– большая продолжительность процесса обработки жидкости;

– низкая эффективность работы известных устройств при обработке жидкостей, содержащих нерастворимые и малорастворимые ядовитые и опасные органические соединения (суспензии, эмульсии, коллоидные растворы и т.д.), а именно:

– недостаточные степень очистки и степень полной деструкции органических соединений;

– мала производительность;

– невозможно проводить детоксикацию и переработку ядовитых и опасных нерастворимых и малорастворимых органических соединений (в частности, запрещенных к применению пестицидов и других ядовитых и опасных веществ) с получением экологически безопасных и биологически активных соединений.

Техническими результатами от использования предлагаемого изобретения являются:

– снижение затрат на очистку жидкостей за счет повышения эффективности работы устройства;

– увеличение производительности устройств;

– возрастание степени деструкции нерастворимых и малорастворимых ядовитых и опасных органических соединений, в частности пестицидов, отравляющих и др. веществ, с получением экологически безопасных и биологически активных соединений.

Вышеуказанные результаты достигнуты за счет того, что устройство оснащено диспергатором жидкости, в качестве которого использован роторно-пульсационный аппарат. Кроме того, отверстия на боковой поверхности катода расположены по винтовой образующей, шаг которой обратно пропорционален диаметру катода, а соосно закрепленные в отверстиях вставки из неэлектропроводного материала выступают из отверстий в сторону внутренней поверхности корпуса устройства и имеют продольный канал, выполненный по центру соосно отверстиям и соединяющий полость катода с полостью устройства. При этом каналы имеют цилиндрическую или конусообразную форму, причем широкая часть конусообразных каналов направлена к внутренней поверхности катода, а выступающая из отверстий часть вставок развернута в вертикальной плоскости в сторону патрубка ввода жидкости на 15-60° и повернута в горизонтальной плоскости относительно боковой поверхности катода на 45-90°.

В результате этого сохраняется устойчивость дисперсной системы, повышается производительность устройства, интенсифицируются массообменные (окислительно-восстановительные) процессы и, как результат, снижается затратность (ниже рабочее напряжение, меньше время электролитической обработки жидкости) и возрастает степень деструкции органических соединений и степень очистки растворов.

Одновременно представляется возможность проводить процесс в режиме регулируемой «глубины» деструкции органических соединений и завершать на стадии образования нетоксичных и полезных (например, биологически активных) продуктов либо, при недостаточной степени деструкции, направлять жидкость на повторную обработку.

Заявляемое устройство для электролитической обработки жидкости отличается новыми конструктивными элементами, что по совокупности признаков обеспечивает качественно новый вид устройства для обработки жидкости. Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, направлены на достижение поставленной цели, не выявлены при исследовании данных и смежных областей научного поиска и отвечают критерию «изобретательский уровень».

Описание заявляемого устройства

Устройство для электролитической обработки жидкости включает в себя диспергатор жидкости и электродный модуль, состоящий из цилиндрического корпуса и коаксиально размещенного внутри корпуса цилиндрического проточного катода.

Цилиндрический корпус устройства соединен с положительным полюсом источника постоянного тока и оснащен патрубком вывода, расположенным в нижней части боковой поверхности устройства.

Цилиндрический проточный катод соединен с патрубком ввода жидкости и выполнен с отверстиями, в которых закреплены вставки из неэлектропроводного материала.

Диспергатор жидкости имеет патрубок ввода и патрубок вывода, соединенный с патрубком ввода жидкости в полость катода. На поверхности катода выполнены отверстия, размещенные по винтовой образующей. В этих отверстиях закреплены вставки из неэлектродного материала, которые выступают в сторону корпуса устройства и имеют продольный канал, соединяющий полость катода с полостью устройства, при этом выступающая из отверстий часть вставок развернута в вертикальной плоскости в сторону патрубка ввода жидкости и повернута в горизонтальной плоскости относительно боковой поверхности катода.

Диспергатор жидкости может быть размещен на крышке корпуса устройства.

В качестве диспергатора жидкости может быть использован роторно-пульсационный аппарат.

Шаг винтовой образующей может быть обратно пропорционален диаметру катода.

Каналы в вставках могут иметь либо цилиндрическую форму, либо конусообразную форму, широкая часть которых направлена в сторону внутренней поверхности катода.

Разворот выступающей части вставок в вертикальной плоскости может составлять 15-60°, а поворот в горизонтальной плоскости 45-90°.

Устройство для электролитической обработки жидкости, представленное на Фиг.1, состоит из диспергатора жидкости (1), размещенного на крышке корпуса устройства и оснащенного патрубками ввода (2) и вывода (3), соединенного с патрубком подачи (4) рабочего раствора в полость проточного цилиндрического катода (5). Цилиндрический корпус (6) устройства соединен с положительным полюсом источника постоянного тока и оснащен патрубком вывода (7), расположенным в нижней части боковой поверхности устройства. Внутри корпуса устройства коаксиально размещен проточный цилиндрический катод с патрубком ввода рабочего раствора. На боковой поверхности катода по винтовой образующей, шаг которой обратно пропорционален диаметру катода, выполнены отверстия, в которых соосно отверстиям закреплены вставки (8) из неэлектропроводного материала. Вставки выступают из отверстий в сторону внутренней поверхности корпуса устройства и развернуты в вертикальной плоскости в сторону патрубка подачи жидкости на 15-60°, и одновременно вставки повернуты в горизонтальной плоскости относительно боковой поверхности катода на 45-90°. Во вставках соосно отверстиям выполнен по центру продольный канал цилиндрической или конусообразной формы, соединяющий внутреннюю полость катода с полостью устройства. При этом широкая часть конусообразных каналов обращена к внутренней поверхности катода.

Конструкторские решения элементов заявляемого изобретения направлены на снижение затратности, повышение эффективности и получение экологически безопасных веществ с выраженной биологической активностью при переработке ядовитых и опасных нерастворимых и малорастворимых органических соединений. Диспергатор предназначен для приготовления рабочего раствора – устойчивой дисперсной системы (суспензия, эмульсия, коллоидный раствор нерастворимых и малорастворимых органических соединений в электролите) путем обработки (диспергирования) исходных жидких компонентов. Для обеспечения компактности (ликвидация трубопроводов обвязки, уменьшение длины перетоков, штуцеров и др. элементов) и снижения затрат на изготовление (снижение металлопотребления) диспергатор размещен на верхней крышке корпуса устройства.

Шаг винтовой образующей, определяющий размещение отверстий с направляющими вставками на боковой поверхности катода, обратно пропорционален диаметру катода. Это позволяет «сохранить» оптимальные параметры процесса обработки жидкости (и, следовательно, новизну заявляемых элементов) при изменении габаритных размеров устройства. При увеличении диаметра (а значит и поверхности) катода для сохранения оптимальной плотности тока (D=I/S, где D – плотность тока; А/м²; I – сила тока; A; S – поверхность катода, м²) необходимо повысить токовую нагрузку и, одновременно, увеличить подачу раствора, что достижимо при увеличении числа вставок (элементов подачи жидкости) на единице поверхности катода, т.е.в результате снижения шага винтовой образующей. Наоборот, снижение диаметра (и поверхности) катода приводит к необходимости уменьшения расхода жидкости, т.е. снижения числа элементов подачи, что достижимо при увеличении шага винтовой образующей поверхности катода.

Вставки, размещенные на поверхности катода, имеют осевые продольные каналы цилиндрической или конусообразной формы, которые предназначены для подачи рабочего раствора из внутренней полости катода в полость устройства (пространство между катодом и анодом). Вставки с каналами конусообразной формы, широкая часть которых (каналов) направлена к внутренней поверхности катода, предпочтительно использовать (вставки взаимозаменяемы) при обработке жидкостей с высокой вязкостью (конусообразные каналы обеспечивают более высокую скорость прохода жидкости). Вставки выполнены из неэлектропроводного материала, что позволяет устранить нежелательные процессы (образование осадка гидроксида щелочно-земельных металлов вследствие защелачивания прикатодного слоя в результате восстановления воды), которые негативно влияют на работу устройства.

Выступающая из отверстий часть вставок создает в пространстве между анодом и катодом вихревое движение и одновременно является направляющей потока жидкости: разворот вставок в сторону штуцера подачи на 15-60° и одновременно поворот их относительно поверхности катода на 45-90° позволяют направить поток жидкости по спирали вдоль (по касательным) поверхностей катода и анода в нижнюю часть корпуса устройства к штуцеру вывода. Разворот вставок на угол менее 15° и поворот их менее чем на 45° не создают условий для интенсификации процесса (повышения массообмена, снижения затратности, повышения производительности и степени деструкции); увеличение угла разворота вставок выше 60° и поворот их на угол более 90° мало влияют на массообмен, производительность и др. параметры процесса.

Устройство работает в непрерывном режиме. Рабочий раствор готовят, тонко измельчая (диспергируя) исходные вещества (нерастворимые и малорастворимые органические соединения в сточных водах, сбросовых растворах, в растворах электролитов) в диспергаторе жидкости (роторно-пульсационный аппарат), где в результате сложных физико-химических процессов (интенсивное перемешивание, процессы пульсации, кавитации, воздействие ультразвука, разрыв химических связей, механическое воздействие рабочих органов и стенок аппарата и др. факторы) образуется устойчивая фаза – дисперсная система (суспензия, эмульсия, коллоидный раствор нерастворимых или малорастворимых органических соединений в растворе электролита). Приготовленный рабочий раствор через патрубок ввода поступает в проточный цилиндрический катод и по продольным каналам вставок попадает во внутреннюю полость устройства – в пространство между катодом и анодом. При подаче постоянного электрического тока в пространстве между катодом и анодом протекают электрохимические (на аноде и катоде) и химические (в объеме электролита) процессы: на аноде – окисление органических соединений и генерирование окислителей (кислород, хлор и др.), на катоде – восстановление органических соединений и генерирование щелочи (результат восстановления молекул воды), в объеме – окисление органических соединений электрохимически генерируемыми окислителями и продуктами их взаимодействия с электролитом. Размещение вставок, являющихся направляющими потока рабочего раствора, по винтовой образующей, разворот их в вертикальной (в сторону патрубка подачи) и поворот в горизонтальной (относительно поверхности катода) плоскостях позволяют создать в пространстве между анодом и катодом вихревой турбулентный поток жидкости. Жидкость может быть в виде суспензии, эмульсии и коллоидного раствора нерастворимых или малорастворимых органических соединений, окислителей и др. компонентов. Вихревой поток является результатом действия выступающей части вставок и направлен по спирали в сторону патрубка вывода.

Пример исполнения устройства

Лабораторные испытания стендовой конструкции показали высокую эффективность предлагаемого устройства, показатели работы которого значительно выше (выше производительность и степень деструкции, ниже затраты) по сравнению с известными устройствами того же назначения. Устройство обеспечивает практически полную очистку жидкости от ядовитых и опасных соединений, в том числе нерастворимых и малорастворимых органических соединений, и позволяет производить переработку (и утилизацию) ядохимикатов (пестициды и др. ядовитые и опасные вещества) в экологически безопасные соединения с выраженной биологической активностью.

Технические характеристики устройства

Электродный модуль: плотность тока D=500÷1500 А/м²; сила тока I – до 100 А; поверхность электродов S-150 см (катод из титана, просечной; анод оксидный рутениево-титановый, просечной), производительность – до 0,5 м³.

Роторно-пульсационный аппарат: Re>0,6×10⁵, частота вращения ротора до 4500 мин^-1; звуковое давление 10⁶÷10⁸ н/м, мощность – 0,5 кВт.

Обрабатываемые жидкости: растворы растворимых, нерастворимых и мало растворимых органических соединений (фосфоросодержащие пестициды – карбофос, базудин; этилендиамин, дихлорэтан, кубовые производства ДХЭ и др.) в растворе хлоридов.

Продукты обработки:

– при полной деструкции – CO₂ и H₂O;

– при неполной деструкции в растворе находим карбоновые кислоты (малеиновую, янтарную, уксусную и др.), экологически безопасные и биологически активные соединения (производные янтарной и уксусной кислот и другие соединения).

Параметры процесса обработки многокомпонентного объекта и степень полной деструкции (степень очистки) определяют по наиболее токсичному и труноокисляемому компоненту.

Условия процесса (время, количество электричества и пр.) выбирают с учетом природы органических соединений, а также с учетом поставленной цели – либо разложение выполняется до полной деструкции (CO₂ и H₂O), либо – до получения полезных веществ.

При реализации полной деструкции исходных соединений – степень деструкции не менее 90%, степень очистки не менее – 99% определяющим является содержание наиболее токсичного соединения.

В случае получения полезных и экологически безопасных продуктов окисления параметры процесса подбирают индивидуально, руководствуясь химизмом процесса и данными лабораторных исследований (результатом анализа проб продукта).

Формула изобретения

1. Устройство для электролитической обработки жидкости, включающее цилиндрический корпус с патрубком вывода, соединенный с положительным полюсом источника постоянного тока, и коаксиально размещенный внутри корпуса цилиндрический проточный катод, соединенный с патрубком ввода жидкости и выполненный с отверстиями, в которых закреплены вставки из неэлектропроводного материала, отличающееся тем, что устройство оснащено диспергатором жидкости с патрубком ввода и патрубком вывода, соединенным с патрубком ввода жидкости в полость катода, отверстия на поверхности которого размещены по винтовой образующей, а закрепленные в них вставки выступают в сторону корпуса устройства и имеют продольный канал, соединяющий полость катода с полостью устройства, при этом выступающая из отверстий часть вставок развернута в вертикальной плоскости в сторону патрубка ввода жидкости и повернута в горизонтальной плоскости относительно боковой поверхности катода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диспергатор жидкости размещен на крышке корпуса устройства.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в качестве диспергатора жидкости использован роторно-пульсационный аппарат.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шаг винтовой образующей обратно пропорционален диаметру катода.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каналы во вставках имеют цилиндрическую форму.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каналы во вставках имеют конусообразную форму, широкая часть которых направлена в сторону внутренней поверхности катода.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разворот выступающей части вставок в вертикальной плоскости составляет 15-60°, а поворот в горизонтальной плоскости 45-90°.

РИСУНКИ