Электролизер

Электрохимические методы обеззараживания природных и сточных вод находят все более широкое применение в технологии водоподготовки как у нас в стране, так и за рубежом. В настоящее время наиболее перспективным методом является метод обеззараживания воды с использованием электролитического гипохлорита натрия NaClO, получаемого на месте потребления путем электролиза растворов хлоридов. Сохраняя все достоинства метода хлорирования с применением жидкого хлора, метод обеззараживания электролитическим гипохлоритом позволяет избежать основных трудностей таких как транспортирование и хранение токсичного газа. Его применение практически снимает все опасные и вредные производственные факторы, присущие использованию жидкого и газообразного хлора - сильнодействующего ядовитого вещества. Раствор гипохлорита натрия, получаемый электрохимическим методом (марка Э по ТУ 6-01-29-93) является наиболее чистым и малотоксичным продуктом (класс опасности - 4 по ГОСТ 12.1.007-76) и имеет самую высокую эффективность. Достоинства электролитического гипохлорита натрия как эффективного бактерицидного агента, простота и надежность электролизных установок, а также заинтересованность потребителей в применении безопасного электрохимического метода обеззараживания воды привели к созданию огромного числа самых разнообразных по своей конструкции электролизеров. Электрохимический способ получения гипохлорита натрия основан на получении хлора путем электролиза водного раствора хлорида натрия (NaCl) и его взаимодействия со щелочью в электролизере, в котором протекают окислительно-восстановительные реакции. Сущность процесса заключается в следующем: На аноде идет разряд ионов хлора (процесс окисления): 2Cl-=Сl2+2е- Выделяющийся хлор растворяется в электролите с образованием хлорноватистой и соляной кислот: Сl2+Н2O=НСlO+НСl На катоде происходит разряд молекул воды (процесс восстановления): Н2O+е-=ОН-+Н+ Атомы водорода после рекомбинации выделяются из раствора в виде газа, оставшиеся же в растворе ионы ОН - образуют возле катода с ионами Na+ щелочь. Вследствие перемешивания анолита с католитом происходит взаимодействие хлорноватистой кислоты со щелочью с образованием гипохлорита натрия: HClO+NaOH=NaClO+H2O Если все количество щелочи, образующееся на катоде, будет поступать к аноду, то процесс электролиза протекает только с образованием раствора гипохлорита натрия. Получающийся гипохлорит натрия в значительной степени диссоциирует с образованием ионов СlO-, которые способны к дальнейшему анодному окислению с образованием хлорат-иона СlO3-: 6СlO-+6OН-6е-=6Н2O+4Сl-+2СlO3-+1,5O2 Концентрация ионов СlO- существенно влияет на дальнейший ход электролиза. Ионы СlO- разряжаются при значительно меньших потенциалах анода, чем ионы Сl-, поэтому уже при незначительных концентрациях гипохлорита натрия на аноде начинается совместный разряд ионов Сl- и СlO-. Образование хлората может протекать и химическим путем по реакции: 2НСlO+СlO-=СlO3-+2Сl-+2Н+ Получаемый раствор гипохлорита натрия достаточно стоек и может длительное время хранится без значительного разложения при соблюдении следующих факторов: 1. низкая температура (не более 20 градусов С); 2. исключение воздействия света; 3. отсутствие ионов тяжелых металлов; 4. значение водородного показателя рН не менее 10; Разряд ионов Сl- приводит к образованию гипохлорита натрия с постепенно увеличивающейся концентрацией, а разряд ионов СlO- уменьшает его концентрацию. При достаточной длительности электролиза скорости этих двух процессов становятся одинаковыми (v1=v2) и дальнейший рост концентрации образующегося гипохлорита натрия прекращается. Поэтому задачей получения гипохлорита натрия является осуществление процесса электролиза в таких условиях, при которых равновесная концентрация гипохлорита натрия наступала бы как можно позднее. Очевидно, что этим условиям будут благоприятствовать все факторы, облегчающие разряд ионов Сl- и затрудняющие разряд ионов СlO-.

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к конструкциям электролизеров.

Согласно патенту RU 70896 известен проточный электролизер для получения раствора гипохлорита натрия, наиболее близкий к предлагаемой полезной модели, так как в патенте RU 26796, п.11, для корпуса электролизера предлагается использовать трубные заготовки.

Проточный электролизер состоит из емкости с расположенными на противоположных ее стенках входным и выходным патрубками и средств подвода тока. В емкости находятся группы монополярных и биполярных вертикальных пластинчатых электродов.

В основу предлагаемой полезной модели положена задача создания конструкции электролизера, обеспечивающей упрощение его изготовления, уменьшение его габаритов и материалоемкости, повышение надежности в эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что форма корпуса электролизера остается постоянной по высоте и длине, но меняется по ширине и каждая из сторон корпуса представляет собой параллелограмм.

В предлагаемом варианте мощность электролизера зависит от количества одинаковых по размеру пластинчатых электродов, расположенных слоями параллельно друг другу. Чем больше необходима мощность, тем больше требуется слоев пластинчатых электродов, тем больше ширина корпуса электролизера. Размеры пластинчатых электродов одинаковы для электролизеров любой мощности, что намного упрощает и удешевляет процесс их изготовления.

Предлагаемая полезная модель в 2 раза легче по весу и в 3 раза меньше по размерам по сравнению с существующими электролизерами (при одинаковых мощностях).

Задача повышения надежности в эксплуатации решается применением датчика температуры, системы охлаждения, датчиков уровня рабочего раствора и титановой вставки для снятия остаточного напряжения с получаемого гипохлорита натрия.

На фиг.1 изображен электролизер предлагаемой конструкции. Для корпуса 1 может быть применен лист из фторопласта или ПВХ. Со стороны входного патрубка 2 закреплен входной диффузор 3, а со стороны выходного патрубка 4 - выходной диффузор 5.

Диффузоры установлены для равномерного распределения вводимого рабочего раствора по объему корпуса и вывода готового продукта. Электродный узел 6 включает пакет 7 параллельных слоев пластинчатых монополярных 8 и биполярных 9 электродов, средство 10 подвода тока к электродам. При этом монополярные пластинчатые электроды со стороны входного патрубка образуют катоды 11, а со стороны выходного патрубка - аноды 12. Пластинчатые аноды имеют специальное покрытие (оксидно-рутениевое).

Пластинчатые электроды 8, 9 соединены между собой шпильками 13. С целью предупреждения коррозии средства подвода тока выполнены из устойчивого к агрессивной среде материала (например, титана).

Со стороны выходного патрубка 4 установлен датчик температуры 14, позволяющий оперативно контролировать температуру электролизера. На самом патрубке вмонтирована титановая вставка 16 в виде трубки для снятия остаточного напряжения с получаемого гипохлорита натрия после электролиза. Снятие остаточного напряжения предотвращает разрушение металлических деталей конструкции электролизной установки под воздействием электрохимического потенциала.

Со стороны входного патрубка 2 установлены датчики уровня рабочего раствора 15, контролирующие наличие электролита в электролизере.

Как правило, исходный раствор поваренной соли должен содержать не менее 30 г/л хлорида натрия. Исходя из опыта эксплуатации электролизных установок раствор используется на 50%. Остальное количество хлорида натрия не успевает перерабатываться, т.к. процесс электролиза сопровождается выделением определенного количества тепла. Для устранения перегрева подбирают такую скорость потока исходного раствора, чтобы температура электролизера не превышала 30°С. При этой скорости раствор поваренной соли используется не полностью. В этом случае содержание активного хлора в готовом продукте составляет 6-7 г/л. Поэтому для увеличения выхода хлора (до 8 г/л) применяют каскадное включение электролизеров или частичную рециркуляцию раствора, что увеличивает расход электроэнергии (патент РФ 2134733).

Предлагаемая полезная модель предусматривает применение охлаждающей установки для поддержания температуры электролизера в требуемом диапазоне. Тип охлаждающей установки подбирается по критериям максимальной эффективности и минимальным энергозатратам (от вентилятора до кондиционера). При помощи датчиков температуры и уровня предусматривается оперативный контроль над процессом электролиза, позволяющий выбрать оптимальный режим для максимальной эффективности.

В этом случае устанавливается меньшая скорость потока исходного раствора, при которой достигается полное использование рабочего раствора поваренной соли и максимальный выход гипохлорита натрия, что равносильно увеличению мощности и эффективности электролизера.

Из приведенного выше описания видно, что предлагаемая полезная модель может быть реализована не только в соответствии с рассмотренными примерами его реализации, но и в других конкретных формах без отступления от его существа, определенного прилагаемой формулой изобретения.

1. Электролизер, содержащий один корпус с входными и выходными патрубками, средство подвода тока к электродам и пакет из параллельных рядов биполярных и монополярных пластинчатых электродов, отличающийся тем, что все стороны его корпуса имеют прямоугольную форму, корпус имеет встроенные датчики температуры и уровня рабочего раствора, выходной патрубок имеет титановую вставку для снятия остаточного напряжения с получаемого раствора.

2. Электролизер по п.1, отличающийся тем, что со стороны входного патрубка имеется входной диффузор, а со стороны выходного патрубка - выходной диффузор.

3. Электролизер по п. 2, отличающийся тем, что имеет систему охлаждения.