Устройство для электрохимической очистки сточных вод от соединений цветных и редкоземельных металлов
Полезная модель относится к устройствам для электрохимической очистки сточных вод от соединений цветных и редкоземельных металлов и может быть использована на предприятиях цветной и черной металлургии, машиностроения, приборостроения, радиоэлектроники, электротехнической промышленности. Устройство содержит корпус с размещенными в нем электролизером и камерой электрофлотации. Новым, согласно предложенной полезной модели, является то, что боковые анодные камеры электролизера снабжены патрубками для ввода и вывода сточной воды и трубопроводами, соединяющими их с катодной камерой, при этом внутри боковых анодных камер дополнительно размещены анионообменная мембрана и катод. Предлагаемая конструкция устройства обеспечивает повышение производительности процессов мембранного электролиза.
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для электрохимической очистки сточных вод от соединений цветных и редкоземельных металлов и может быть использована на предприятиях цветной и черной металлургии, машиностроения, приборостроения, радиоэлектроники, электротехнической промышленности.
Известно устройство для электрохимической очистки сточных вод, представляющее собой корпус, разделенный на секции предварительной водообработки (в виде двухкамерного диафрагменного электролизера с анионообменной мембраной) и электрофлотационной очистки [А.с. СССР 
1675215 A1, МПК C02F 1/46, C02F 1/465; заявл. 13.10.1989; опубл. 07.09.1991, бюл. 33].
Недостатком данного устройства является низкая производительность, вследствие малой площади электродов и мембраны.
Известно, выбранное в качестве прототипа устройство, содержащее корпус с размещенными в нем электролизером в виде анодной и двух боковых катодных камер и камерой электрофлотации [Электрофлотационная технология очистки сточных вод промышленных предприятий / В.А. Колесников, В.И. Ильин, Ю.И. Капустин и др.; под ред. В.А. Колесникова. - М.: Химия, 2007. - С. 224-226 с].
Недостатком данного устройства является недостаточная производительность процессов мембранного электролиза, вследствие малой площади электродов и мембран.
Технической задачей и результатом, на решение которых направлено заявляемое устройство от соединений цветных и редкоземельных металлов является повышение производительности процессов мембранного электролиза.
Технический результат достигается тем, что устройство содержит корпус с размещенными в нем и электролизером в виде катодной и двух боковых анодных камер и камерой электрофлотации. Новым, согласно предложенной полезной модели, является то, что боковые анодные камеры электролизера снабжены патрубками для ввода и вывода сточной воды и трубопроводами, соединяющими их с катодной камерой, при этом внутри боковых анодных камер дополнительно размещены анионообменная мембрана и катод.
Предлагаемая полезная модель устройства иллюстрируется рисунком, где на фиг. 1 представлен вид сверху.
Устройство состоит из корпуса 1, разделенного переливной перегородкой 2 на электролизер 3 и камеру электрофлотации 4. Электролизер выполнен в виде катодной 5 и двух боковых анодных камер 6.
Катодная камера электролизера отделена от анодных - анионообменными мембранами 7.
В катодной камере установлены пластинчатые нерастворимые катоды 8, а в анодных камерах пластинчатые нерастворимые аноды 11.
В катодной камере 5 электролизера имеются патрубки 13 для ввода нейтрализованной сточной воды.
Внутри анодных камер 6 электролизера расположены анионообменные мембраны 9, образующие катодные секции 10, в которых установлены пластинчатые нерастворимые катоды 12 и имеются патрубки 14 для ввода кислой сточной воды и 15 вывода нейтрализованной сточной воды. При этом катодные секции 10 электролизера снабжены трубопроводами 16, соединяющие их с катодной камерой 5.
В камере электрофлотации размещены в виде гребенки горизонтальные нерастворимые электроды 17 (катоды и аноды) и имеются патрубки 18 для вывода очищенной воды. С противоположного от электролизера торца камеры электрофлотации находится сборник пены 19.
В верхней части устройства, расположенного выше уровня воды, размещено пеносборное устройство 20, приводимое в движение электродвигателем редуктора 21.
Устройство работает следующим образом. Кислая сточная вода, содержащая ионы цветных (медь, никель, цинк, кадмий, кобальт, марганец) и редкоземельных (церий, иттрий, тербий) металлов индивидуально или в смеси, поступает через патрубки 14 в катодные секции 10 боковых анодных камер 6 электролизера, в которых под действием токовой нагрузки на нерастворимых катодах 12 протекает электрохимическая катодная реакция восстановления ионов гидроксония с образованием водорода и молекул воды (2H 3O+
H2+2H2O). Далее нейтрализованная сточная вода поступает по трубопроводам 16 в катодную камеру 5 электролизера, в которой под действием токовой нагрузки на катодах 8 протекает электрохимическая катодная реакция разряда молекул воды с образованием водорода и гидроксил-ионов (2H 2OH2
+2OH-), вследствие чего pH сточных вод повышается (подщелачивается) до 9-10, при которых за счет химических реакций (Me+2OH-=Me(OH)2
) происходит образование частиц дисперсной фазы малорастворимых соединений цветных и редкоземельных металлов в виде гидроксидов и их флотация пузырьками водорода на поверхность воды.
Одновременно в боковых анодных камерах 6 при разряде молекул воды на поверхности нерастворимых анодов 11 происходит выделение кислорода и подкисление фонового электролита за счет образования ионов водорода H+.
Разделение продуктов катодной и анодной реакции анионообменными мембранами 7 и 9 препятствует транспорту ионов OH- в объеме обрабатываемой сточной воды и их химическое взаимодействие с ионами H+ с образованием нейтральных молекул воды.
Далее, сточная вода, содержащая частицы дисперсной фазы малорастворимых соединений цветных и редкоземельных металлов, переливается через перегородку 2 и поступает в камеру электрофлотации 4, в которой под действием газовых пузырьков (водорода и кислорода), образующихся на нерастворимых электродах (анодах и катодах) 17 при электролизе воды происходит флотационное отделение частиц дисперсной фазы малорастворимых соединений цветных и редкоземельных металлов от сточной воды. Очищенная вода выводится из устройства через патрубки 18.
Всплывшая в процессе электрофлотации на поверхность воды дисперсная фаза малорастворимых соединений цветных и редкоземельных металлов формируется в пенный слой, который удаляется пеносборным устройством 20 в сборник 19 и далее выводится из устройства.
Повышение производительности процессов мембранного электролиза достигается за счет дополнительного размещения в боковых анодных камерах катодов и анионообменных и мембран, что увеличивает общую рабочую площадь их поверхности в электролизере. При этом производительность процесса или устройства (Q, м3/ч) будет определяться величиной изменения pH (кислотности) обрабатываемой воды. Основной расчетной величиной для требуемого изменения pH сточной воды является расход тока (
, Кл/л), которая может быть определена по формуле [Яковлев СВ., Краснобородько И.Г., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды. - Л.: Стройиздат, 1987. С. 289-291.]
,
где KК и KН - требуемая соответственно конечная и начальная кислотность воды; 
- удельное изменение кислотности на 100 Кл/л, мг-экв/л.
Производительность процесса составит
,
где Sэ - площадь поверхности электродов; Iэ - плотность тока на электродах.
Таким образом, с увеличением площади поверхности электродов Sэ производительность процесса будет расти.
На производительность процесса оказывает также и влияние скорость переноса ионов через ионообменную мембрану, определяемая величиной изменения концентрации ионов H+ (Cисх/Cкон), которую можно рассчитать по формуле [Богатырев А.Е., Варцов В.В., Шульпин Г.П. Мембранные электродиализные технологии очистки гальваностоков. Выпуск 3 (1697). -М.: ЦНИИ «Электроника», 1993. - С. 57.]:
,
где Cисх - исходная концентрация ионов; Cисх - конечная концентрация ионов; D - коэффициент диффузии ионов; 
- толщина предельного диффузионного слоя; Sмб - площадь ионообменных мембран; iмб - плотность тока на ионообменной мембране; Wn - линейная скорость потока обрабатываемой воды вдоль мембран.
Таким образом, с ростом площади ионообменных мембран Sмв производительность процесса (скорость массопереноса) также будет расти.
Технический результат при решении поставленной задачи достигается за счет увеличения общей рабочей площади поверхности анионообменных мембран и катодов.
Предлагаемая конструкция полезной модели устройства для электрохимической очистки сточных вод от соединений цветных и редкоземельных металлов позволяет повысить производительность процессов мембранного электролиза.
Устройство для электрохимической очистки сточных вод от соединений цветных и редкоземельных металлов, содержащее корпус с размещенными в нем электролизером и камерой электрофлотации, отличающееся тем, что боковые анодные камеры электролизера снабжены патрубками для ввода и вывода сточной воды и трубопроводами, соединяющими их с катодной камерой, при этом внутри боковых анодных камер дополнительно размещены анионообменная мембрана и катод.
