Патент на изобретение №2227062

(54) ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОР ФИЛЬТР-ПРЕССНОГО ТИПА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электрохимической технологии и может быть использовано в энергетической, химической, металлургической, медицинской отраслях промышленности, преимущественно в водоподготовке для получения питьевой воды. Предложен электродиализатор фильтр-прессного типа для очистки воды, включающий электроды, между которыми размещены разноименные ионоселективные мембраны и прокладки, образующие рабочие камеры, патрубки ввода и вывода воды, прижимные плиты и стяжное устройство, который содержит две пары электродов, причем анод одной пары и катод другой пары электродов выполнены из различных материалов и находятся по одну сторону рабочих камер. Технический результат: обеспечение работы электродиализатора при высоких плотностях тока, позволяющих обессоливать океанскую и морскую воду, и увеличение эффективности процесса. 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электрохимической технологии и может быть использовано в энергетической, химической, металлургической, медицинской отраслях промышленности, преимущественно в водоподготовке для получения питьевой воды.

Известно применение электродиализатора с использованием химически стойких электродов из платинированного титана (Смагин В.Н. Обработка воды методом электродиализа. – М.: Стройиздат, 1986, с.110).

Однако дефицитность платины препятствует широкому распространению этих электродиализаторов.

Известен электродиализатор с использованием графитовых анода и катода (патент СССР №1837950, В 01 D 61/44, 1993).

В данных электродиализаторах графитовые электроды сравнительно быстро выходят из строя, особенно в присутствии органических веществ, обладают невысокой электропроводностью и значительным весом, их обработка связана с большими трудностями.

Известен электродиализатор фильтр-прессного типа, включающий концевые перфорированные электроды, между которыми помещен пакет чередующихся анионообменных и катионообменных мембран (а.с. СССР №1378890, В 01 D 13/02, 1998).

Использование перфорированных электродов, площадь которых меньше площади мембран, не снижает эффективности процесса, однако их применение не позволяет проводить процесс при высокой плотности тока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является электродиализатор фильтр-прессного типа для очистки воды, включающий перфорированные электроды, между которыми размещены ионоселективные мембраны и прокладки, образующие рабочие камеры, прижимные плиты и стяжное устройство, патрубки ввода и вывода воды, а также дополнительную пару электродов, которые делят электродиализатор на три секции, соединенные между собой каналами (а.с. СССР №1436309, В 01 D 61/50, 1992).

При использовании известных электродиализаторов на каждую секцию подается одинаковое напряжение, и в зависимости от скорости потока невозможно достижение высокой плотности тока при реверсе тока и изменение движения гидродинамических потоков.

Задачей настоящего изобретения является создание такой конструкции, которая обеспечивала бы работу электродиализатора при высоких плотностях тока, позволяющих обессоливать океанскую и морскую воду, а также увеличение эффективности процесса за счет использования в работе различных плотностей тока.

Для этого электродиализатор фильтр-прессного типа, включающий электроды, между которыми размещены разноименные ионоселективные мембраны и прокладки, образующие рабочие камеры, патрубки ввода и вывода воды, прижимные плиты и стяжное устройство, снабжен двумя парами электродов, причем анод одной пары и катод другой пары выполнены из различных материалов и находятся по одну сторону рабочих камер.

При этом анод одной пары и катод другой пары электродов выполнены в форме гребенок, вставленных одна в другую, или в форме двойной спирали или анод одной пары и катод другой пары электродов размещены относительно друг друга в шахматном порядке.

Кроме того, площади электродов каждой пары электродов равны между собой, аноды выполнены с основой из титана или тантала и покрытием из оксида рутения, или оксида кобальта, или диоксида марганца; катоды выполнены из нержавеющей стали или меди; аноды обеих пар и катоды обеих пар выполнены из одинаковых материалов соответственно; аноды обеих пар или катоды обеих пар выполнены из разных материалов соответственно; основы анодов выполнены из одинаковых или разных пленкообразующих металлов; покрытие анодов выполнено из одинаковых или разных оксидов металлов.

Электродиализ может работать эффективно только в том случае, если плотность тока будет равномерна по отношению ко всей поверхности мембран, в противном случае локальный нагрев может привести к существенному ухудшению работы электродиализатора. Хотя в течение одного цикла работы электродиализатора создание одинаковой плотности тока ко всей поверхности мембран является необходимым условием, в различных циклах плотность тока можно варьировать в широких пределах.

Равномерная плотность тока достигается в том случае, если вся поверхность мембран в равной мере находится под токовой нагрузкой. Причем перфорация электродов не ухудшает условий электродиализа. В данной конструкции использован эффект “псевдоперфорации”, когда поверхность мембран соприкасается с анодом и катодом, чередующимися друг с другом. Возможно различное расположение анода одной пары и катода другой пары по отношению друг к другу и мембранам.

Если пакет мембран имеет прямоугольную форму, то наиболее рационально размещение анода и катода в виде гребенок, вставленных одна в другую. В этом случае анод лучше разместить напротив лабиринтов (каналов), а катод напротив перемычек, что позволяет проводить процесс, создавая максимальную анодную плотность тока на мембранах. Шахматное расположение электродов наиболее трудно в исполнении, однако применимо для любых пакетов мембран, выполненных круглыми, прямоугольными, элипсообразными, а также преимуществом шахматного расположения электродов относительно друг друга является возможность их использования (без снижения эффективности) для электродиализных аппаратов с любым способам охлаждения или промывки приэлектродных камер. Они в равной мере могут быть применены при подаче в приэлектродные камеры воздушного потока или водных растворов. Другим расположением электродов является двойная спираль, которая используется преимущественно для пакетов мембран, имеющих круглую форму. При их использовании на мембранах достигается максимальная анодная плотность тока.

Целесообразно изолировать анод одной пары и катод другой пары, так как в этом случае исключается возможность короткого замыкания при нарушении работы автоматики.

Площади электродов каждой пары могут быть равными между собой, в этом случае при смене полярности и перемене гидравлических трактов нагрузка на мембраны равна. Их регенерационная способность с обеих сторон одинакова, и, соответственно, процесс электродиализа протекает в одинаковом режиме.

Возможен вариант выполнения электродов, когда площадь одной пары больше площади электродов другой пары. В этом случае при перемене полярности плотности токов на мембранах различны, и процесс протекает в асимметричных условиях. Такое выполнение электродов целесообразно, когда конструкция аппарата не предусматривает изменение направления гидравлических потоков, а кратковременное изменение полярности направлено на промывку мембран, т.е. основной режим работы аппарата – гидравлический поток и направление движения тока направлены в одну сторону.

В качестве основы анодов предпочтительно использовать титан или тантал из-за их высокой химической стойкости, а в качестве покрытия применять оксиды металлов, стойких при электролизе, таких, как марганец, кобальт, рутений.

Титан наиболее приемлем в качестве основы электрода из-за легкости и высокой химической стойкости, что позволяет создать компактные переносные аппараты, пригодные для индивидуального пользования.

Выбор оксида металла, наносимого на пленкообразующую основу электродов, зависит от экономических соображений и состава воды, поступающей на обессоливание, например в случае очистки хлоридных растворов преимущество имеют покрытия из оксида рутения, поскольку получаемые при этом электроды ОРТА обеспечивают наклон поляризационных кривых, равный 40-45 мВ. На аноде преимущественно при этом выделяется хлор, и данные электроды малочувствительны к присутствию в воде органических соединений.

Аноды с покрытием из оксида кобальта ОКТА более экономичны, но и более чувствительны к примесям.

Аноды с покрытием из диоксида марганца рекомендуется использовать для очистки сульфатных и фосфатных растворов.

В качестве катодов можно использовать некорродирующий металл, поскольку в процессе электродиализа металл находится под катодной защитой.

Предпочтительно использовать для катодов нержавеющую сталь или медь как наиболее доступные и легкообрабатываемые металлы.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показан электродиализатор в разрезе; на фиг.2 – сечение А-А фиг.1 в варианте выполнения анода и катода в виде гребенок; на фиг.3 – сечение А-А фиг.1 в варианте размещения анода и катода в шахматном порядке; на фиг.4 – сечение А-А фиг.1 в варианте выполнения анода и катода в виде двойной спирали.

Электродиализатор фильтр-прессного типа содержит первую пару электродов 1 и 2, чередующиеся ионоселективные (катионо- и анионо-) мембраны 5 и прокладки 6, образующие рабочие камеры 8, отверстия 9-12 для ввода соленой воды и вывода дилюата и рассола, выполненные в рабочей рамке 7, прижимные плиты 13 и стяжное устройство 14, а также вторую пару электродов 3 и 4.

Электроды 1 и 2, а также 3 и 4 служат для попеременного подведения постоянного электрического тока к электродиализатору. Причем электрод 1 является анодом, 2 – катодом, 3 – катодом, 4 – анодом. Аноды 1 и 4 выполнены из титана с покрытием из оксида рутения, а катоды 2 и 3 – из нержавеющей стали.

Электродиализатор работает следующим образом.

В течение первого цикла исходная вода через отверстия для ввода соленой воды, например, через 9 и 10, выполненные в рамке 7, подается в рабочие камеры 8, образованные мембранами 5, прокладками 6 и рабочей рамкой 7. При подаче электрического тока на электроды 1 и 2 под действием статического поля катионы и анионы мигрируют к поверхности анионо- и катионоселективных мембран 5, чередующихся между собой и разделенных прокладками 6. Вода, постепенно очищаясь, последовательно проходит через ряд аналогичных рабочих камер 8. С помощью отверстий 11 и 12 для вывода дилюата и рассола, выполненных в рабочей рамке 7, очищенная вода выводится из аппарата. Герметичность многосекционного электродиализатора обеспечивается стяжным устройством 14, скрепляющим все его секции при помощи прижимных плит 13.

Для предотвращения отложения солей на мембранах 5 через определенный промежуток времени электроды 1 и 2 отключаются, одновременно прекращается подача соленой воды в электродиализатор. При этом нерастворимые соли и микропримеси вымываются из мембран 5.

В течение второго цикла после переключения электрического тока на электроды 3 и 4 соленая вода подается через отверстия 11 и 12, проходит ряд рабочих камер 8, образованных ионоселективными мембранами 5, прокладками 6 и рамкой 7, а рассол и дилюат выводятся через отверстия 9 и 10.

Затем опять производят переключение электрического тока на электроды 1 и 2, повторяя первый цикл.

Электродиализатор работает в режиме синхронного реверса гидродинамических потоков и электрического тока. Причем циклы чередуются через определенные промежутки времени, например через 15 мин. Цикличность процесса обеспечивает долговременную работу мембран, в то же время использование двух пар электродов позволяет практически не ограничивать напряжение и ток, при которых проводится процесс.

Синхронное изменение направления электрического тока и гидравлических потоков способствует значительному удлинению срока службы мембран за счет предотвращения отложения в порах сульфата кальция.

Таким образом, в данном электродиализаторе можно опреснять воду любой степени солености.

Формула изобретения

1. Электродиализатор фильтр-прессного типа для очистки воды, включающий электроды, между которыми размещены разноименные ионоселективные мембраны и прокладки, образующие рабочие камеры, патрубки ввода и вывода воды, прижимные плиты и стяжное устройство, отличающийся тем, что он содержит две пары электродов, причем анод одной пары и катод другой пары электродов выполнены из различных материалов и находятся по одну сторону рабочих камер.

2. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что анод одной пары и катод другой пары электродов выполнены в форме гребенок, вставленных одна в другую.

3. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что анод одной пары и катод другой пары электродов выполнены в форме двойной спирали.

4. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что анод одной пары и катод другой пары электродов размещены друг относительно друга в шахматном порядке.

5. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что площади электродов каждой пары электродов равны между собой.

6. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что аноды выполнены с основой из титана.

7. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что аноды выполнены с основой из тантала.

8. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что аноды выполнены с покрытием из оксида рутения.

9. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что аноды выполнены с покрытием из оксида кобальта.

10. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что аноды выполнены с покрытием из диоксида марганца.

11. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что катоды выполнены из нержавеющей стали.

12. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что катоды выполнены из меди.

13. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что аноды обеих пар и катоды обеих пар выполнены из одинаковых материалов соответственно.

14. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что аноды обеих пар и катоды обеих пар выполнены из разных материалов.

15. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что основы анодов выполнены из одинаковых пленкообразующих металлов.

16. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что основы анодов выполнены из разных пленкообразующих металлов.

17. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что покрытие анодов выполнено из одинаковых оксидов металлов.

18. Электродиализатор по п.1, отличающийся тем, что покрытие анодов выполнено из различных оксидов металлов.

РИСУНКИ