Способ электролиза с управлением процессом электрохимической обработки водных растворов и электролизер

 

Группа изобретений относится к способам электролиза и управления процессами электрохимической обработки водных растворов, питания электрохимических устройств, а также к устройствам для электролиза водных растворов. Техническим результатом является улучшение технико-экономических показателей питания электролизера и повышение эффективности процесса электролиза. Предложен способ электролиза с управлением процессом электрохимической обработки водных растворов путем регулирования плотности тока в рабочем объеме электродных камер электролизера в зависимости от концентрации веществ в воде и изменения полярности электродов, при этом для дифференцированного параллельного питания электроэнергией при n > 2 электрохимических ячеек проточного электролизера величина плотности тока на ячейках или группах ячеек различна, и ее устанавливают независимым питанием электрохимических ячеек или групп ячеек через индивидуальные n > 2 двухполупериодные выпрямители, включение которых и управление изменением полярности производят в зависимости от условий протекания процесса электролиза раздельно или группами. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способам электролиза и управления процессами электрохимической обработки водных растворов, питания электрохимических устройств, а также к устройствам, осуществляющим электролиз водных растворов. Оно может быть использовано для проведения электролиза, управления процессами электролиза водных растворов, а также в технике получения жидких лекарственных средств.

Известен электрохимический способ очистки воды, основанный на электролизе воды асимметричным переменным током в постоянном магнитном поле [1]. Недостатками данного способа является невысокая степень очистки воды, а также низкая эффективность наложения магнитного поля на электрохимическую ячейку электролизера. Известен способ электролиза водных растворов [2], основанный на биполярном включении электродов в диафрагменном электролизере. Имея ряд преимуществ, особенно при применении высоких значений плотности тока, данный способ не позволяет осуществлять раздельное питание электроэнергией ячеек электролизера. Известен способ управления процессом электрохимической очистки сточных вод [3], который реализует CAP, включающей датчик концентрации, преобразователь, блок управления величиной плотности тока, блок управления частотой изменения полярности тока и реверсивный выпрямитель, и осуществляющий регулирование плотности тока и частоты изменения полярности электродов в зависимости от концентрации сточных вод. Недостатком способа является невозможность дифференцированного управления величиной плотности тока нескольких электрохимических ячеек электролизера, функционирующих при разных токовых нагрузках, а также сложность устройств, реализующих способ, при использовании его в электролизерах большой мощности, более 10 кВт, и большой производительности, расходе электролитов более 1000 л/ч. В электролизерах большой производительности, функционирующих при значительных вольт-амперных характеристиках электролиза, возникает проблема, связанная с необходимостью дифференцированного распределения плотности тока на электродах в ячейках многокамерного электролизера по мере прохождения электролита из одной ячейки в другую ячейку. Изменение концентрации электролитов в течение времени протекания электролиза в электролизере или в ячейках многокамерного электролизера, а также наполнение электролита газообразными продуктами электролиза по мере его движения в ячейке приводят к большим потерям электричества из-за недифференцированного питания электролизера или электродов ячеек электролизера. Значительную роль в практике использования электролизеров, функционирующих при значительных плотностях тока, играют конструктивные особенности, связанные с креплением шин к электродам, а также проблемы тепловых эффектов, возникающих при работе электролизеров. Известен плоский диафрагменный электролизер, содержащий корпус [4], в котором за счет устройства перегородок аноды и катоды соединены соответственно катодными и анодными шинами. Основными недостатками электролизера являются конструктивные особенности, приводящие к образованию скоплений газов в верхних частях устройства, а также трудность отведения из электролизера газов, полученных в результате электролиза. Известен коаксиальный двухкамерный электролизер с диафрагмой [5] , в котором в качестве электродов использованы титановые стержневой и цилиндрический электроды. Основными недостатками устройства являются сложность конструкции и трудность отведения электрохимически полученных газов из объемов электродных камер.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение эффективности процессов электролиза. Технический результат - улучшение технико-экономических показателей питания электролизера и повышение эффективности процесса электролизера достигается за счет дифференцированного параллельного питания электроэнергией n>2 электрохимических ячеек или групп ячеек электролизера, величина плотности тока на которых различна и устанавливается независимым питанием электрохимических ячеек или групп ячеек через индивидуальные n>2 двухполупериодные выпрямители. Включение и управление изменением полярности производится в зависимости от условий протекания процесса электролиза раздельно или группами, объединяющими несколько электрохимических ячеек проточного электролизера. Питание n>2 ячеек электролизера осуществляется по параллельной схеме от вторичных обмоток трансформатора через n>2 двухполупериодные выпрямители, каждый из которых подает на соответствующие ячейки электролизера определенное значение тока и каждый из которых состоит из двух диодов, двух управляющих тиристоров и двух шунтирующих конденсаторов. Управление работой двухполупериодных выпрямителей осуществляется через индивидуальные ключи управления, на которые приходит импульс от генератора импульсов, питающегося от вторичных обмоток трансформатора через блок стабилизированного питания. Технический результат в устройстве, реализующем предлагаемый способ, достигается благодаря многоячейковому устройству электролизера, позволяющему осуществлять дифференцированное питание электрохимических ячеек с различными значениями плотности тока, подаваемым на каждую из n>2 ячеек электролизера. Для этого в устройстве, представляющем собой вертикальный коаксиальный двухкамерный электролизер с торцевыми сборными диэлектрическими втулками, между которыми размещаются диэлектрические цилиндрические электродные элементы, внешний из которых на внутренней стороне и внутренний на наружной стороне, имеют равное количество n>2 электродов. Электроды выполняются в виде плоских прямых или дугообразных пластин. Радиус дуг соответствует радиусам диэлектрических цилиндрических электродных элементов, на которых они размещены, при этом каждые два из противоположно лежащих электрода на внешнем и наружном электродных элементах по горизонтали образуют электрохимическую ячейку электролизера. Расстояние между электродами на электродных элементах и в электрохимической ячейке не ограничиваются.

На фиг.1 представлена схема установки, реализующей способ электролиза и управления процессом электрохимической обработки водных растворов: 1 - трансформатор; 2 - стабилизированный источник питания; 3, 4, 5 - генераторы импульсов; 6a, 6b, 6c,...6f - ключи управления; 7a, 7b, 7c, ...7f - двухполупериодные выпрямители; 8a, 8b, 8c,... 8f - электрохимические ячейки электролизера; 9 - датчик концентрации; 10 - блок управления переключателями; 11a, 11b, 11c,...11f - переключатели; 12a, 12b, 12c,...12f - вторичные обмотки трансформатора.

На фиг. 2 представлено устройство электролизера: 1 - диэлектрическая гайка; 2 - цилиндрический элемент с выступом; 3, 13, 14- резиновые прокладки; 4, 20 - внутренний диэлектрический электродный элемент; 5 - опорные плиты; 6 - выходные каналы; 7 - гайка; 8 - стяжные болты; 9, 10 - штуцеры; 11, 19 - герметизируемые отверстия; 12, 18 - электроды; 15 - уплотнительная прокладка; 16 - выходной канал; 17 - выходное отверстие; 21 - кольцевая прокладка; 22, 24, 26 - внутренний диэлектрический элемент; 23, 25 - кольцеобразное пространство для выхода электролита; 27 - ионообменная мембрана; 28, 29 - электродные камеры.

Верхняя и нижняя диэлектрические втулки, аналогичные между собой по конструкции элементов и условиям их крепления, состоят из внешнего 26, среднего 24 и внутреннего 22 элементов. Герметичность между элементами 26, 24, 22 обеспечивается резиновыми прокладками 13 и 14. Диэлектрические втулки через штуцеры 9 и 10 и выходные каналы 6 обеспечивают подачу и выход электролитов через кольцеобразные пространства 23, 25 из электродных камер электролизера. Соединение кольцеобразных пространств 23 и 25 с электродными камерами 28, 29 осуществляется через наклонные выходные каналы 16 и отверстия 17. Диэлектрические электродные цилиндрические элементы 4, 20 монтируются в торцевые диэлектрические втулки так, что внешний диэлектрический электродный элемент 20 герметизируется кольцевой прокладкой 21 с внутренним диэлектрическим элементом 22, а внутренний диэлектрический электродный элемент 4 с внешним диэлектрическим элементом 26 герметизируется резиновой прокладкой 3, помещенной в кольцеобразный паз элемента 26 и зажатой цилиндрическим элементом с выступом 2 и закручивающейся на резьбе элемента 4 диэлектрической гайкой 1. Герметизация диафрагмы или ионообменной мембраны 27 обеспечивается установкой уплотнительных прокладок 15, размещенных в среднем диэлектрическом элементе 24 верхней и нижней торцевых втулок электролизера. Диэлектрические электродные элементы 4, 20 имеют вмонтированные в их тело электроды 12, 18 в виде прямых плоских пластин или дугообразных пластин, радиус которых соответствует радиусам диэлектрических электродных элементов, на которых они размещены. Электроды 18 на внешнем электродном элементе 20 монтируются на внутренней стороне элемента, а электроды 12 на внутреннем электродном элементе 4 монтируются на наружной стороне элемента. Электроды 12, 18, представляющие собой плоские прямые или дугообразные пластины в плане, выполнены по форме параллелограмма, расположенного так, что его боковая грань параллельна вертикальной оси установки, а нижняя и верхняя грани в зависимости от гидродинамического движения электролитов, на которое рассчитывается электролизер, имеют равный угол наклона к горизонтали 0< 90. Каждые два из противолежащих по горизонталей электрода, расположенных на внешнем и внутреннем электродных элементах, образуют электрохимическую ячейку. Каждая электрохимическая ячейка или группа нескольких ячеек имеет отдельное от других ячеек или групп ячеек питание электроэнергией, которое подводится к электродам через герметизируемые отверстия 11, 19. Герметизируемое отверстие 11 через полую полость внутреннего электродного элемента 4 и герметизируемое отверстие 19 с наружной стороны внешнего электродного элемента 20 позволяют осуществлять этот подвод электроэнергии с помощью электропровода и уплотнительных сквозных втулок, устройство которых в данной заявке не оговаривается. Количество электродов и расстояние между электродами не ограничиваются как в электрохимической ячейке, так и в электродных элементах, так как эти величины зависят от условий электролиза и определяются специальным расчетом. Для обеспечения герметичности устройства в нижней и верхней частях устройства электролизера устанавливаются опорные плиты 5, стянутые по высоте устройства стяжными болтами 8 и гайками 7.

Установка, реализующая предлагаемый способ и представленная на фиг.1, работает следующим образом.

Стабилизированный источник питания 2, запитанный от вторичной обмотки трансформатора 1, обеспечивает стабилизированным напряжением генераторы импульсов 3, 4, 5, ключи управления 6a, 6b, 6c,...6f и блок управления переключателями 10. Количество генераторов импульсов может быть различно, оно зависит от условий электролиза. Цепочка элементов после генераторов импульсов 4,5 аналогична цепочке 3 по взаимосвязанным единицам установки: ключи управления - двухполупериодный выпрямитель - электрохимическая ячейка ( по управлению изменением величины и частоты появления в цикле подачи постоянного тока переменной составляющей). Датчик концентрации водного раствора - блок управления переключателями - переключатели вторичных обмоток трансформатора (по управлению включением электрохимических ячеек с определенной плотностью тока в работу электролизера). Для производства переполюсовки на электродах сигнал, производимый на генераторе импульсов 3, формирует импульс с заданной продолжительностью периода, то есть действия суммарного импульса, созданного наложением постоянной составляющей на переменную составляющую, и переменной составляющей, устанавливает скважность составляющих внутри периода. При подаче отрицательного импульса на ключ управления 6a, 6b, 6c,...6f ключ обеспечивает работу соответствующего двухполупериодного выпрямителя в режиме подачи на электрохимическую ячейку суммарного импульса, а при подаче положительного импульса на ключ управления обеспечивает подачу на электрохимическую ячейку переменной составляющей. На вторичных обмотках 12 для каждой электрохимической ячейки создается определенная плотность тока, которая подается через соответствующие переключатели 11 на двухполупериодные выпрямители 7. Сигнал о включении переключателя формируется на блоке управления переключателями 10, на который подается сигнал с датчика концентрации водного раствора 9, установленного на выходе из электролизера или на выходе последней по ходу движения электролитов электрохимической ячейки. Исходя из концентрации получаемого водного раствора, включение электрохимических ячеек в работу электролизера осуществляется по отдельности или группами электрохимических ячеек. В цепочках от генераторов импульсов 4, 5 формируются сигналы, аналогичные сигналам генератора 3, так и отличные от них, то есть с различными значениями скважности, величина которых устанавливается специальным расчетом, основанным на особенностях протекания процесса электролиза, а также использования материалов электродов электродных элементов и состава электрохимически обрабатываемого водного раствора. Электролизер, реализующий предлагаемый способ (фиг. 2), позволяет благодаря отдельным входам через штуцеры 9, 10, выходные каналы 6 и кольцеобразные пространства 23, 25 осуществлять независимую обработку электролитов в камерах электролизера. Камеры электролизера разделены между собой ионообменной мембраной или диафрагмой 27. Коаксиальный электролизер, благодаря наличию n>2 электрохимических ячеек, каждая из которых образована парой противоположно лежащих по вертикали электродов 18 на внутренней поверхности внешнего электродного элемента электрода 12 - на наружной поверхности внутреннего электродного элемента, позволяет производить дифференцированное распределение плотности тока в ячейках электролизера по ходу движения электролитов в электродных камерах, а также управлять процессом электролиза так, что к каждой электрохимической ячейке или группе ячеек подводится определенная плотность тока и обеспечивается требуемая переполюсовка. Предлагаемый способ электролиза с управлением процессом электрохимической обработки водных растворов и электролизер для его осуществления, как показали проведенные эксперименты с водными растворами NaCl, при получении дезинфицирующих растворов анолитов с конечной концентрацией активного хлора C = 500 мг/л, наиболее эффективен при значительных колебаниях исходных концентраций водных растворов NaCl и изменения расходов на входе в электролизер.

Список использованных источников 1. Авторское свидетельство СССР, N 903302, C 02 F 1/46,1982.

2. Якименко Л. М. Получение водорода, кислорода, хлора и щелочей.- М.: Химия, 1981, 106 с.

3. Авторское свидетельство СССР N 1271828, С 02 F 1/46, 1986.

4. Авторское свидетельство СССР N 554313, C 25 B 9/00. 1977.

5. Авторское свидетельство РФ N 2038322, C 02 F 1/46, 1995.

Формула изобретения

1. Способ электролиза с управлением процессом электрохимической обработки водных растворов путем регулирования плотности тока в рабочем объеме электродных камер электролизера в зависимости от концентрации веществ в воде и изменения полярности электродов, отличающийся тем, что для дифференцированного параллельного питания электроэнергией при n > 2 электрохимических ячеек проточного электролизера величина плотности тока на ячейках или группах ячеек различна и ее устанавливают независимым питанием электрохимических ячеек или групп ячеек через индивидуальные n > 2 двухполупериодные выпрямители, включение которых и управление изменением полярности производят в зависимости от условий протекания процесса электролиза раздельно или группами.

2. Устройство двухкамерного коаксиального электролизера с торцевыми сборными диэлектрическими втулками, отличающееся тем, что между торцевыми сборными диэлектрическими втулками размещены диэлектрические цилиндрические электродные элементы, внешний из которых на внутренней стороне и внутренний - на наружной стороне имеют равное количество n > 2 электродов, выполненных в виде плоских прямых или дугообразных пластин, радиус дуг которых соответствует радиусам диэлектрических цилиндрических электродных элементов, на которых они размещены, при этом каждые два из противоположно лежащих электродов на внешнем и наружном электродных элементах по горизонтали образуют электрохимическую ячейку электролизера, каждая из которых или группа нескольких ячеек имеют отдельное от других ячеек или групп ячеек питание электроэнергией, подводимое к электродам через герметизируемые отверстия, выполненные в полой полости внутреннего электродного элемента и с наружной стороны внешнего электродного элемента, расстояние между электродами на электродных элементах и в электрохимической ячейке не ограничены.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2