Устройство для глубокого обескислороживания воды

Полезная модель относится к устройствам для глубокого обескислороживания воды и может быть использовано в процессах водоподготовки для энергетической промышленности, и микроэлектроники. Сущность полезной модели заключается в том, что воду пропускают через слой медьсодержащего (серебросодержащего) нанокомпозита высокой емкости с электронной проводимостью, разделенного на равные по высоте участки. Участки соединены гидравлически последовательно. На каждый участок подают токи различной величины. Степень обескислороживания воды составляет 99.96%.

Полезная модель относится к устройствам для глубокого обескислороживания воды и может быть использовано в процессах водоподготовки для энергетической промышленности и микроэлектроники.

Известно устройство для обескислороживания воды с помощью каталитического восстановления кислорода водородом на палладиевом катализаторе с образованием воды (Романова И.А., Петрова И.В., Лебедева В.И., Волков В.В., Терещенко Г.Ф., Р. ван дер Ваарт, Дж. ван Эркель. Одноволоконный каталитический мембранный контактор/реактор для удаления растворенного кислорода из воды // Мембраны. 2007. 3 (35). С.3-10). Катализатор представляет собой пористую полипропиленовую гидрофобную одноволоконную мембрану с нанесенным на внешнюю поверхность палладием. Однако для создания таких мембран требуются дорогостоящие материалы, кроме того, происходит накопление в воде растворенного водорода.

Более предпочтительным является метод электрохимического обескислороживания деионизированной воды в пределах температур от комнатной до 200°С без добавления токсичных веществ (US Patent 4.830.721). Процесс происходит в мембранном электролизере с оригинальной, структурой анода (US Patent 4.536.263). Однако изготовление такого многослойного анода является технологически сложным и дорогостоящим процессом, а так же конструкция данного электролизера не позволяет задавать большие плотности тока для работы в режиме предельного диффузионного тока по кислороду. Процесс характеризуется степенью обескислороживания воды 70%, что является недостаточным уровнем обескислороживания.

За прототип предлагаемой полезной модели может быть принята конструкция обескислороживающего аппарата в виде ячейки общей высотой 120 см, состоящей из двух одинаковых частей, высота зернистого слоя редоксита (электроноионообменника) в каждой из которых составляет 60 см, а сечение 1.2 см² (АС СССР 1270119, МПК C02F 1/46, 1986). Через участки зернистого слоя электроноионообменника (ЭИ), последовательно пропускают обессоленную воду, содержащую растворенный в воде кислород. Концентрация кислорода в воде составляет (2.4±0.3)·10^-7 моль/см³. Скорость прохождения воды, рассчитанная на сечение катодной камеры с зернистым слоем, равна 0.23 см/с. Объем воды, обескислороженный на 97%, принимают за критический, он составляет 150 л. Время работы системы при этом состоянии равно 150 ч. После достижения критического объема подают на первый участок слоя ток силой 23.1 мА, а на второй 2.3 мА. Степень обескислороживания достигает 98%. Для 5-ступенчатого слоя, высота ступени 24 см (при сохранении общей высоты слоя 120 см), степень обескислороживания достигает 99.96%.

Задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании высокоэффективного обескислороживающего реактора на основе нанокомпозита медь-ионообменник путем его послойной гальваностатической поляризации с одновременным протоком воды, содержащей молекулярный кислород.

Технический результат заключается в увеличении производительности устройства, уменьшении энергозатрат при сохранении высокой степени обескислороживания воды.

Технический результат достигается тем, что устройство для глубокого обескислороживания воды состоит из ячейки, выполненой из полимерного материала, разделенной катионообменной мембраной на анодное и катодное отделения, пространство между катионообменной мембраной и титановым анодом в анодном отделении засыпано слоем сульфокатионообменника КУ-23, катодное отделение состоит из не менее двух гидравлически последовательно соединенных камер, каждая из которых имеет свою систему поляризации с медными катодами, пространство между катодами и катионообменной мембраной засыпано слоем нанокомпозита.

На фиг. изображен общий вид устройства.

Устройство состоит из ячейки 1 выполненной из полимерного материала, разделенной катионообменной мембраной 2 на анодного 3 и катодного 4 отделения. Пространство между катионообменной мембраной 2 и титановым анодом 5 в анодном отделении 3 засыпано слоем 6 сульфокатионообменника КУ-23, предназначенного для уменьшения сопротивления пропускаемой через отделение дистиллированной воды, Катодное отделение (обескислороживающий реактор) 4 представляет собой несколько гидравлически последовательно соединенных камер 7, каждая из которых имеет свою систему поляризации с медными катодами 8. Пространство между катодами 8 и катионообменной мембраной 2 засыпано слоем 9 нанокомпозита, изготовленного по патент РФ 2355471.

Устройство работает следующим образом.

Через катодное отделение 4 пропускают воду, содержащую растворенный кислород. Электрический ток подается на каждую из камер 7 разной силы перпендикулярно протоку воды, причем величину тока рассчитывают по формуле (4).

На катоде происходят реакции:

На аноде:

Катодная реакция (2), при которой происходит выделение молекулярного водорода, имеет место при потенциале Е (2) более катодном, чем потенциал Е (1) реакции (1), при которой происходит восстановление растворенного в воде кислорода. Токи, необходимые для протекания реакции (1) рассчитываются по формуле:

где I_j - сила тока, подаваемая на j-й участок;

l - общая высота слоя;

n - количество участков, на которые разделен слой;

I_общ - сила тока, необходимая для полного удаления кислорода, поступающего на слой (постоянная величина);

А - постоянная величина, равная 0.151 см^-1, рассчитывается по формуле

где - объемная доля нанокомпозита в реакторе;

z - число электронов в реакции восстановления кислорода;

F- постоянная Фарадея;

u - линейная скорость протока воды;

r₀ - радиус сферического зерна нанокомпозита;

S_сеч - площадь поперечного сечения катодного отделения;

i_lim(0) и C₀ - плотность предельного тока и концентрация растворенного кислорода в воде на входе в реактор.

Пример. В устройство, катодное отделение 4 которого содержит 40 камер 7 высотой 1,5 см каждая, загружают зернистый медьсодержащий нанокомпозит (емкость по меди 5 ммоль/см³ и по ионам водорода 1 ммоль/см³). Общая высота слоя нанокомпозита в них составляет 60 см, а сечение 3 см². В анодное отделение 3 засыпают сульфокатионообменник КУ-23. Через камеры 7, соединенные последовательно, пропускают воду с растворенным в ней при комнатной температуре молекулярным кислородом. Линейная скорость протока воды через камеры 7 с засыпкой нанокомпозита высокой емкости равна 0.23 см/с. Степень обескислороживания достигает 99.96%, что отвечает концентрации растворенного в воде кислорода 0.003 мг/л (3 ppb).

Степень обескислороживания рассчитывается по формуле

где С₀ и С(l) - концентрация кислорода на входе и выходе из слоя соответственно.

Устройство для глубокого обескислороживания воды состоит из ячейки, выполненной из полимерного материала, разделенной катионообменной мембраной на анодное и катодное отделения, пространство между катионообменной мембраной и титановым анодом в анодном отделении засыпано слоем сульфокатионообменника КУ-23, катодное отделение состоит из не менее двух гидравлически последовательно соединенных камер, каждая из которых имеет свою систему поляризации с медными катодами, пространство между катодами и катионообменной мембраной засыпано слоем зернистого медьсодержащего нанокомпозита емкостью по меди 5 ммоль/см³ и по ионам водорода 1 ммоль/см ³.