Устройство регенерируемое и установка для очистки жидких сред

 

Изобретение относится к устройствам для очистки жидких сред и может быть использовано преимущественно для очистки питьевой воды и сточных вод от полярных и неполярных органических веществ, ионов тяжелых металлов, активного хлора и их удаления в процессе электрохимической регенерации. Регенерируемое устройство для очистки жидких сред содержит электрохимическую ячейку, состоящую не менее чем из двух элементов, выполненных из смеси углеродных материалов с высокой удельной поверхностью и сорбционной емкостью одного из них. По крайней мере один из элементов выполнен в виде проницаемого сорбционно-активного слоя на подложке, в котором проницаемый сорбционно-активный слой выполнен из смеси углеродных материалов, включающей активированные углеродные материалы, один из которых активированные углеродные волокна. Соотношение объема проницаемого сорбционно-активного слоя к объему подложки составляет не менее 1. Между указанными элементами расположена перегородка. Установка для очистки жидких сред содержит блок фильтрации, включающий регенерируемое устройство, описанное выше, блок питания и блок управления. Технический эффект - создание устройства и установки с возможностью многократной регенерации элементов устройства, не требующих существенного расхода электроэнергии с увеличением их ресурса. 2 с. и 10 з.п.ф-лы, 7 ил.

Заявляемая группа изобретений относится к устройствам для очистки жидких сред и может быть использована преимущественно для очистки питьевой воды и сточных вод от полярных и неполярных органических веществ, ионов тяжелых металлов, активного хлора и их удаления в процессе электрохимической регенерации.

Очистку жидкостей, в том числе питьевой воды и сточных вод осуществляют различными способами. В уровне техники известны фильтрационные устройства для очистки воды, содержащие фильтрационные элементы (модули), выполненные из сорбционных материалов, которые в процессе фильтрации загрязняются. Такие фильтрационные элементы в дальнейшем подвергают очистке различными способами в специальных аппаратах.

Одним из известных способов является электрохимический, протекающий в электрохимической ячейке, в которой используют катод в виде, например, полых графитовых цилиндров или в виде волокнистого листа и анод, выполненный чаще всего из металла.

Известны также устройства, где очистку жидкостей проводят в электрохимической ячейке с последующей регенерацией электродов в ней. Одним из недостатков таких устройств является использование катодов, обладающих недостаточно высокой сорбционной емкостью. Описанный в патенте США 4806212, опубл. 23.02.1999 г., МКИ C 25 F 5/00 катод для электролитической ячейки, выполненный из активированного углеродного порошка и 80% полимерного связующего, обладает областями высокой удельной поверхности, но из-за высокого содержания связующего компонента не вся поверхность катода активно работает.

По патенту США 5976349, опубл. 02.11.1999 г., МКИ С 01 D1/40 очистку растворов с рН>14 от железа и никеля проводят в электрохимической ячейке, состоящей из катода и анода. Катод выполнен в виде волокнистого листа, полученного из смеси электропроводных и неэлектропроводных волокон и связующего компонента фторполимера. Указанный лист закреплен на электропроводной пористой подложке и может быть изготовлен в комбинации с микропористой диафрагмой или мембраной. Анод изготовлен из нержавеющей стали, никеля или окиси никеля. В качестве электропроводных волокон используются углеродные или графитовые волокна диаметром менее 1 мм, преимущественно от 0,1 до 10 мм и длиной более 0,5, преимущественно от 1 до 20 мм, а в качестве неэлектропроводных - органические волокна: полипропилен, полиэтилен, фторполимер или неорганические волокна.

Неорганические волокна выбраны из класса керамических волокон, например диоксид циркония, кремниевый карбид или нитрид бора. Согласно указанному изобретению катод, используемый в электрохимической ячейке, имеет большую удельную поверхность (от 20 до 50 м²/м³), необходимую, чтобы получить раствор с содержанием примесей менее 1 мг/кг. Кроме вышеописанного, катод может быть выполнен из смеси углеродных волокон, основанной на волокнах целлюлозы и катионного полимера, в качестве которого применяют катионный крахмал. Цикл очистки длится от 500 до 1000 ч. Поэтому в процессе обработки растворов образуется осадок металлов на катоде, который приводит к снижению показателей по очистке. Катод может быть восстановлен электрохимическим методом, изменяя полярность электродов или понижая напряжение в катоде. При высоких показателях по очистке растворов от тяжелых металлов используемый катод обладает недостаточной сорбционной емкостью, чтобы проводить очистку растворов от органических веществ.

В патенте США 5954937, опубл. 21.09.1999 г., МКИ С 02 F 1/461 (прототип) описано устройство для электрохимической очистки жидкостей, в том числе и питьевой воды от различных загрязняющих веществ и регенерации его электродов.

Устройство представляет собой электрохимическую ячейку, включающую не менее двух параллельных электродов, расположенных раздельно. Каждый электрод выполнен из углеродного гелиевого материала с твердой матрицей, обладающего областями с высокой удельной поверхностью. Монолитные листы из этого материала могут быть получены пропиткой материала раствором формальдегида с последующей их карбонизацией в инертной среде. Между электродами расположена перегородка в виде пористой диафрагмы или мембраны, причем мембрана может быть выполнена из ионообменного материала (анионо- или катионообменной смолы). Вода проходит между смежными катодом и анодом при небольшом перепаде давления (электролит течет тем же путем). Подаваемый потенциал поддерживается в диапазоне 0,6-1,2 Вт, в котором электросорбция очень эффективна, причем поперек электродов, чтобы избежать газовыделения. Целью описанного прототипа является реализация электрохимического процесса очистки, в силу чего электрод должен иметь развитую поверхность, быть электропроводным и проницаемым для жидкости. Исходя из описанной технологии изготовления электрода он не может быть проницаемым для жидкости, а следовательно, не может обладать высокой суммарной сорбционной емкостью, так как материал, обладающий высокими удельными сорбционными характеристиками, контактирует с жидкостью только поверхностным слоем.

Основной задачей заявляемой группы изобретений является создание устройства и установки для очистки жидких сред, в которой элементы выполнены в том числе из активированных углеродных волокон с возможностью многократной регенерации элементов устройства, не требующих существенного расхода электроэнергии, за счет возможности проводить процесс очистки, используя сорбционные процессы без использования электроэнергии на этой стадии в отличие от прототипа и известных в уровне техники регенерируемых конструкций, где процессы и очистки, и регенерации осуществляют электрохимическим путем. Кроме того, фильтрующие элементы должны быть достаточно прочными и устойчивыми ввиду их многократного использования в фильтрационных процессах. В заявляемом устройстве разработаны сорбционные элементы, предназначенные для очистки жидкости, протекающей сквозь сорбционный слой в отличие от прототипа и обладающие низким гидравлическим сопротивлением и по крайней мере один из них большой суммарной сорбционной емкостью.

Техническим результатом заявляемой группы изобретений является увеличение ресурса устройства и установки.

Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании изобретений достигаются тем, что регенерируемое устройство для очистки жидких сред включает электрохимическую ячейку, состоящую не менее чем из двух элементов, выполненных из смеси углеродных материалов с высокой удельной поверхностью и сорбционной емкостью одного из них, по крайней мере один из которых выполнен в виде проницаемого сорбционно-активного слоя на подложке, в котором проницаемый сорбционно-активный слой выполнен из смеси углеродных материалов, включающей активированные углеродные материалы, один из которых активированные углеродные волокна, а соотношение объема проницаемого сорбционно-активного слоя к объему подложки составляет не менее 1. Между указанными элементами расположена перегородка.

При этом объем проницаемого сорбционно-активного слоя к объему подложки преимущественно составляет не менее 50.

Причем сорбционно-активный слой может быть выполнен в виде композиции из смеси компонентов или в виде тканого и/или нетканого материала, содержать не менее 5 вес.% активированных углеродных волокон длиной не менее 1 мм, диаметром от 1 до 30 мкм.

Сорбционно-активный слой может дополнительно содержать полимерный материал.

Подложка выполнена из электропроводного углеродного непористого материала, в частности может быть выполнена из графита, а перегородка из полимерного и/или керамического или ионообменного материалов.

А установка для очистки жидких сред содержит блок фильтрации, включающий регенерируемое устройство, описанное выше, блок питания и блок управления.

Механизм действия устройства включает две стадии: адсорбцию растворенных в воде примесей при фильтрации через сорбционный элемент; регенерацию сорбционно-активного слоя за счет протекания через ячейку электрического тока, причем для обеспечения большей плотности тока ячейка заполняется раствором электролита, а сорбционный элемент используется преимущественно в качестве катода.

Для реализации высокой сорбционной емкости устройства и эффективной регенерации необходимым условием протекания обоих процессов является высокая гидравлическая проницаемость сорбционно-активного слоя, достигаемая в процессе его приготовления, которая обеспечивает транспорт веществ в объем сорбционного устройства и эффективное удаление при десорбции под действием электрического тока.

Эффективное и равномерное протекание тока через сорбционный элемент, который служит электродом в режиме регенерации, осуществляется за счет высокой электропроводности компонентов сорбционно-активного слоя. За счет сильной гидрофилизации поверхности электрода происходит десорбция всех, в том числе и незаряженных частиц с сорбционной поверхности электрода. Удаление десорбированных примесей осуществляется за счет смены электролита в ячейке.

Подложка элемента служит гидравлическим уплотнителем, а при регенерации является еще и промежуточным звеном между металлическими проводниками и материалом элемента, на данной стадии служащего электродом.

При соотношении объема сорбционно-активного слоя как для сорбционного, так и для инертного элементов, к объему подложки не менее 1 и выполнении сорбционно-активного слоя из смеси углеродных материалов, включающих активированные углеродные материалы, один из которых активированные углеродные волокна, создается большой полезный объем элемента, т.е. большая часть элемента становится проницаемой для жидкости и газов. В соответствии с этим процесс адсорбции идет активнее. А при регенерации происходят эффективное протекание электролизного процесса для лучшего смыва десорбированных частиц и эффективное удаление их из всего объема элементов. При соотношении объема сорбционно-активного слоя к объему подложки менее 1 снижается ресурс устройства для очистки жидкости.

На фиг. 1-3 изображены возможные варианты конструкции устройства: на фиг. 1 изображено устройство, регенерируемое для очистки жидких сред с радиальным протеканием с внешним относительно инертного элемента расположением проницаемого сорбционно-активного слоя; на фиг. 2 изображено устройство, регенерируемое для очистки жидких сред с радиальным протеканием с внутренним относительно инертного элемента расположением проницаемого сорбционно-активного слоя; на фиг. 3 изображено устройство, регенерируемое для очистки жидких сред с продольным протеканием и непроницаемой для жидкости разделительной перегородкой между элементами; на фиг. 4 приведен график зависимости перепада давления от расхода жидкости; на фиг. 5 изображена блок-схема установки, регенерируемой для очистки жидких сред; на фиг. 6 изображена схема блока фильтрования; на фиг. 7 приведены графики зависимости степени очистки от объема пропущенного раствора.

Устройство содержит (фиг.1-3) корпус электрохимической ячейки 1, выполненный из стойкого к воздействию кислот и щелочей материала, хорошего электрического изолятора (например, полипропилена, фторопласта). Возможно применение иных не проводящих электрический ток инертных материалов. Стенка корпуса имеет отверстия, предназначенные для протекания жидкости. Корпус устройства имеет по меньшей мере одно присоединительное приспособление с уплотнением для подвода жидкости;
сорбционно-активный элемент 2, выполненный в виде проницаемого сорбционно-активного слоя 3 на подложке 4.

Сорбционно-активный слой 3 выполнен:
в виде проводящей, сорбционно-активной композиции из смеси компонентов, один из которых активированные углеродные волокна или
в виде слоев тканого и/или нетканого материала или слоев нескольких тканых и/или нетканых сорбционно-активных проводящих материалов.

Инертный элемент 5 выполнен в виде проницаемого слоя 6 на подложке 7. Проницаемый слой 6 выполнен
в виде проводящей сорбционно-активной композиции из смеси компонентов или
в виде слоев тканого и/или нетканого материала или слоев нескольких тканых и/или нетканых сорбционно-активных проводящих материалов.

Причем инертный элемент может быть также сорбционно-активным.

В качестве перегородки может быть использована диафрагма или мембрана.

Разделительная диафрагма 8, расположенная между сорбционным и инертным элементами, выполнена из пористого инертного непроводящего материала, например пористого полипропилена. Она герметично прикрепляется к корпусу 1 устройства. К диафрагме 8 плотно прилегают с одной стороны инертный, с другой стороны сорбционный элементы. Диафрагма пропитывается электролитом и проводит ток, но препятствует перемешиванию растворов в катодном и анодном пространстве. Причем чем она тоньше, тем лучше. Для потока жидкости диафрагма проницаема, при этом ее гидравлическое сопротивление невелико.

Разделительная мембрана 9, выполненная из ионообменного материала, например анионо- или катионообменной смолы, служит тем же целям, что и диафрагма 8, но препятствует протеканию жидкости в тангенциальном по отношению к ней направлении, чем и отличается от разделительной диафрагмы. Мембрана расположена аналогично диафрагме 8.

Подложки 4 и 7, выполненные из инертного проводящего материала (сплошного, тканого или нетканого), служат в качестве гидравлического уплотнителя при фильтрации и для подвода и распределения тока при регенерации.

Внутренняя несущая труба 10 с отверстиями (в которую поступает жидкость) прикреплена к верхней части корпуса устройства и снабжена приспособлением для присоединения к корпусу устройства. Служит для равномерного распределения потока по длине устройства при радиальном протекании.

Устройства на фиг. 1 и 2 отличаются расположением проницаемого сорбционно-активного слоя 3 относительно инертного элемента. На фиг. 1 изображено устройство, регенерируемое для очистки жидких сред с внешним относительно инертного элемента расположением проницаемого сорбционно-активного слоя. На фиг. 2 изображено устройство, регенерируемое для очистки жидких сред с внутренним относительно инертного элемента расположением проницаемого сорбционно-активного слоя.

Конструкция устройства, изображенная на фиг.3, отличается от конструкций, изображенных на фиг. 1 и 2, разделением катодного и анодного пространств непроницаемой для потока мембраной 5, проводящей электрический ток. Она имеет отдельные подводы 11 для жидкости в катодном и анодном пространстве.

Элементы в электрохимической ячейке могут быть расположены радиально, по спирали или в плоскостном исполнении.

В качестве конструктивных материалов использовали широко известные для очистки от органических веществ и тяжелых металлов нижеследующие материалы.

Активированные углеродные волокна, изготовленные OOO "Аквафор", г. Санкт-Петербург, Россия, длиной не менее 1 мм, диаметром от 1 до 30 мкм, адсорбционной емкостью по метиленовому голубому не менее 100 мг/г, с площадью сорбционной поверхности не менее 300 м²/г. Активированные углеродные волокна получают из вискозных волокон по патенту США 5521008. В зависимости от режимов карбонизации и активации могут быть получены активированные углеродные волокна с различной удельной электропроводностью в пределах от 1 до 100 (Омм)^-1.

Гранулированный активированный уголь представляет собой пористые углеродные частицы с различным размером гранул, например, изготовленный фирмой "Bamebey & Sutcliffe corp".

Неактивированные углеродные волокна длиной не менее 2 мм, диаметром от 1 до 30 мкм, полученные пиролизом и карбонизацией с конечной температурой карбонизации более 800^oС. Удельная электропроводность слоя угольного волокна составляет ~100 (Омм)^-1.

Ионообменные материалы в виде волокон размером от 1 до 30 мкм, полученные частичным гидролизом полиакрилонитрильных волокон в присутствии сшивающего агента, полная обменная емкость - не менее 1 мэкв/г, а в качестве гранулированного ионообменного материала используют, например, сульфакатионит C240NS производства фирмы "Sybron chemicals Inc. США.

В качестве полимерного материала используют, например, полиэтилен или полипропилен.

Описанное устройство, регенерируемое для очистки жидких сред, функционирует следующим образом.

Сорбционно-активный элемент 2 устройства (фиг.1 и 2) состоит из смеси углеродных волокон, в которой доля активированных составляет 80%, а электропроводность 10-20 (Омм)^-1. Масса его составляет 100 г. Объем слоя 110^-3 м³, объем подложки (например, графитовой) 210^-5м³. Инертный элемент состоит из 20 г графитированных углеродных волокон с электропроводностью 100 (Омм)^-1. При регенерации в растворе электролита, например сульфата натрия 50 г/л, при напряжении 7В ток составляет 8А. Суммарная сорбционная емкость сорбционно-активного элемента 2 составляет 24 г по фенолу или 32 г по метиленовому голубому.

Устройство (фиг. 3) содержит сорбционно-активный элемент 2 из смеси углеродных волокон, в которой доля активированных составляет 80%, электропроводность составляет 10-15 (Омм)^-1. Масса его составляет 50 г. Инертный элемент состоит из 15 г графитированных углеродных волокон с электропроводностью 100 (Омм)^-1. Мембрана 9 - МФ4СК (аналог нафион) толщиной 100 мкм и площадью 2 дм², удельной емкостью 1,7 мэкв/г воздушно-сухой мембраны. При регенерации в растворе электролита, например сульфата натрия 100 г/л, при напряжении 20 В ток составляет 4 А.

В случае устройства, изображенного на фиг.1 и 2, вода поступает в трубу 10 корпуса 1 и последовательно протекает через сорбционно-активный элемент 2 и инертный элемент 5 и выходит через отверстия в корпусе 1. В устройстве, изображенном на фиг.3, вода через патрубок 11 протекает через сорбционно-активный элемент 2 и выходит через патрубок 11.

Непористая проводящая подложка 4 и 7, обладающая высоким гидравлическим сопротивлением, занимает небольшой объем по сравнению с объемом сорбционно-активного слоя элемента, который обладает малым гидравлическим сопротивлением. То есть в процессе фильтрования она не препятствует протеканию жидкости и не уменьшает полезный сорбционный объем элемента 2.

График зависимости перепада давления от расхода жидкости приведен на фиг.4. Полученные данные подтверждают, что фильтрующий элемент обладает малым гидравлическим сопротивлением.

Механизм процесса регенерации заключается в десорбции органических веществ при протекании электрического тока - их переходу от связанного состояния на поверхности сорбционно-активного слоя электрода 2 в объем раствора электролита при одновременном протекании электрохимических процессов, сопровождающихся превращениями и деструкцией адсорбированных веществ. При этом малый объем проводящей подложки 4 позволяет увеличить объем собственно сорбционно-активного слоя, который обладает малым гидравлическим сопротивлением по сравнению с материалом подложки 4. Это позволяет также использовать больший объем электролита, пропитывающего электрод при регенерации. В свою очередь названные факторы способствуют увеличению количества десорбированных веществ в растворе электролита, сокращению времени регенерации и достижению более высокой степени десорбции по сравнению с прототипом. Одновременно уменьшение объема подложки 4 и достигнутое уменьшение полного гидравлического сопротивления материала электрода 2 способствуют легкому удалению продуктов десорбции и промыванию электрода новыми порциями электролита, а также жидкостью в конце процесса регенерации для удаления следов электролита.

В качестве растворов электролитов в электрохимической ячейке использовали водный раствор сульфата натрия, карбоната натрия, хлорида натрия или морскую воду при использовании устройства на морских судах. Растворы электролитов выбирают по удельной объемной электропроводности, сравнимой с удельной объемной электропроводностью проницаемого сорбционно-активного слоя. При регенерации может меняться рН в связи с протеканием электрического тока в зависимости от типа используемого электролита.

Очистка жидких сред и регенерация элементов могут проводиться по крайней мере как в одной электрохимической ячейке, так и в нескольких параллельно включенных, причем регенерация в одной ячейке может проводиться независимо от других электрохимических ячеек.

Установка состоит (фиг. 5) из 3-х частей, связанных между собой: блока фильтрования 1, блока питания 2 и блока управления 3. В установке с ручным управлением блок управления отсутствует.

Блок фильтрования предназначен для очистки жидкости и обеспечения заполнения электролитом и промывки фильтрующего элемента. Он состоит (фиг.6) из корпуса с фильтрующим элементом 1, запорной арматуры 2 и 8, емкости с раствором электролита 3, насоса с обратным клапаном для подачи раствора электролита 4, входного 5, сливного 6, и выходного 7 патрубка. Запорная арматура управляется вручную или с помощью электропривода. Корпус фильтрующего элемента имеет присоединительные приспособления, по меньшей мере одно для подвода и одно для отвода воды. Он оборудован также контактами 9, к которым присоединяется блок питания с наружной стороны корпуса. С внутренней стороны к ним присоединяется подложка. Блок фильтрования содержит также ручные вентили (B1 и B2) 8 соответственно на входном и выходном патрубках. Они предназначены для регулирования на входе и на выходе расхода жидкости через установку, а также запирания потока вручную в случае возникновения непредвиденных ситуаций.

Установка может быть оборудована счетчиком расхода жидкости для оценки объема прошедшей жидкости и подачи команды на регенерацию (в случае, если счетчик подключен к устройству управления).

На входе жидкости установка может быть оборудована предварительным фильтром для удаления механических примесей.

Процесс фильтрования происходит следующим образом.

Во время фильтрования открыты клапаны К2 и К4, клапаны К1 и К3 закрыты. Вода поступает во входной 5 патрубок и вентиль В1, проходит через фильтрующий элемент 1 и вытекает из выходного патрубка 7 с вентилем В2. Расход жидкости регулируется раздельно на входе и на выходе вентилями В1 и В2.

Регенерация происходит периодически, по команде с устройства управления, или же производится вручную. Она может происходить по факту протекания заданного объема жидкости или же по истечении определенного времени. Эти параметры определяются удельным расходом жидкости через фильтрующий элемент, массой адсорбционного материала, желаемой степенью очистки и содержанием примесей в очищаемой жидкости (степенью загрязнения).

Процесс регенерации происходит следующим образом.

Регенерацию фильтрующих элементов проводят циклами. Каждый цикл включает заполнение корпуса раствором электролита, поляризацию сорбционного материала протекающим током с плотностью не менее 0,01 А на 1 г материала сорбционно-активного слоя, промывку жидкостью в течение определенного времени.

Во время исполнения каждого цикла сначала открывается клапан К1, клапаны К2, КЗ и К4 закрыты. Включается насос, который заполняет корпус 1 раствором электролита, излишек раствора стекает в сливной патрубок. Включается блок питания на время от 1 до 30 мин для поляризации адсорбционного материала. По окончании процесса открывается клапан КЗ и фильтрующий элемент промывается жидкостью в направлении, обратном направлению фильтрования (обратная промывка).

Количество циклов должно быть не менее двух. Верхний предел количества циклов регенерации определяется экономической эффективностью и желаемой степенью восстановления сорбционной способности фильтрующего материала. Полярность тока в каждом следующем цикле может меняться на противоположную.

Во время поляризации материала изменяется рН раствора электролита, находящегося в контакте с ним за счет катодного выделения водорода или восстановления сорбированных примесей, или анодных процессов, связанных с выделением кислорода, или окислением материала или сорбированных на нем примесей.

Блок управления осуществляет управление запорной арматурой и блоком питания. Он может быть связан со счетчиком расхода воды. Он содержит также устройства управления и индикации. Задачей блока управления является выдача команд на исполнительные механизмы, управление блоком питания во время регенерации - выдача напряжения заданной полярности, регулировка тока и напряжения, индикация соответствующих режимов.

Блок управления может быть механическим, на элементах пневмоавтоматики, электронным, в т.ч. с микропроцессорным управлением.

Блок управления по возможности должен отслеживать возникновение аварийных ситуаций и предотвращать их. Он может просто отсутствовать, в этом случае применяется ручное управление.

Блок питания формирует напряжение заданной полярности (постоянное или пульсирующее), позволяет регулировать и поддерживать в заданных пределах силу тока и напряжения. Блок питания может формировать напряжение постоянного или пульсирующего тока. В том числе, если импульсы получаются за счет выделения полупериодов напряжения из одно-, двух- и трехфазной промышленной сети с помощью электронных ключей. Или, если используется импульсный конвертер напряжения промышленной сети, имеющий на выходе постоянное или пульсирующее с частотой преобразования напряжение. Блок питания может формировать также напряжение переменного тока, которое используется для нагревания фильтрующего элемента, но не более чем до температуры кипения электролита. Блок питания может содержать механический, электрический или иной накопитель энергии для расходования ее в процессе регенерации в виде электрической энергии и подзаряжающийся в процессе очистки.

Пример 1.

Через устройство, выполненное в соответствии с фиг.1, пропускали раствор метиленового голубого концентрацией 1500 мг/л со скоростью 1,5 л/мин. Было пропущено 30 л модельного раствора, остаточная концентрация красителя составила 430 мг/л. В устройстве проницаемый сорбционно-активный слой элемента выполнен из смеси углеродных волокон, содержащей 80 г активированного углеродного волокна и 20г неактивированного углеродного волокна; в инертном элементе слой выполнен из неактивированного углеродного волокна. Подложки сорбционно-активного и неактивного элементов выполнены из графита, площадь подложки составляет 20 см³. Соотношение объемов сорбционно-активного слоя и подложки для сорбционно-активного элемента составляет 50, а для инертного элемента 10. Т.о. реализованная сорбционная емкость волокна составила около 400 мг/г, что соответствует его полной емкости, определенной в статических условиях.

Следовательно, конструкция устройства обеспечивает доступность всей сорбционной поверхности активированного углеродного волокна для сорбции из раствора.

Пример 2.

Через устройство, выполненное в соответствии с фиг.1, пропускали раствор бензола в воде концентрацией 510 мг/л со скоростью 1 л/мин. В устройстве проницаемый сорбционно-активный слой элемента выполнен из смеси углеродных волокон, содержащей 80 г активированного углеродного волокна и 20г неактивированного углеродного волокна, в инертном элементе слой выполнен из неактивированного углеродного волокна. Подложки сорбционно-активного и неактивного элементов выполнены из графита, площадь подложки составляет 20 см³. Соотношение объемов сорбционно-активного слоя и подложки для сорбционно-активного элемента составляет 50, а для инертного элемента 10. Было пропущено 10 л модельного раствора в каждом цикле. После протекания каждого литра раствора отбирали пробу и определяли концентрацию бензола. По окончании проводили цикл катодной регенерации: в течение 30 мин в растворе сульфата натрия 50 г/л при напряжении 7В ток составлял 8А. Графики зависимости степени очистки от объема пропущенного раствора приведены на фиг.7.

Использованная суммарная сорбционная емкость сорбционно-активного элемента 2 составляла 5 г бензола, полностью восстанавливалась в каждом цикле регенерации, что следует из графиков на фиг.7. Следовательно, в случае очистки воды от примесей органических веществ конструкция устройства обеспечивает доступность всей сорбционной поверхности активированного углеродного волокна как для сорбции из раствора, так и для десорбции в раствор при регенерации.

Пример 3.

Через устройство, выполненное в соответствии с фиг.2, пропускали раствор сульфата меди концентрацией 200 мг/л, объемом 10 л со скоростью 2 л/мин. В устройстве проницаемый сорбционно-активный слой элемента выполнен из смеси углеродных волокон, содержащей 80 г активированного углеродного волокна и 20 г неактивированного углеродного волокна; в инертном элементе слой выполнен из неактивированного углеродного волокна. Подложки сорбционно-активного и неактивного элементов выполнены из графита, площадь подложки составляет 20 см³. Соотношение объемов сорбционно-активного слоя и подложки для сорбционно-активного элемента составляет 50, а для инертного элемента 10. На выходе концентрация меди составляла не более 0,03 мг/л. Затем проводили цикл анодной регенерации: в течение 30 мин в растворе сульфата натрия 50 г/л объемом 1 л при напряжении 7В ток составлял 8 А. Концентрация меди в регенерате составила 1,8 г/л, что соответствует 90% степени регенерации по меди.

Следовательно, в случае очистки воды от примесей тяжелых металлов конструкция устройства обеспечивает доступность всей сорбционной поверхности активированного углеродного волокна как для сорбции из раствора, так и для десорбции в раствор при регенерации.

Формула изобретения

1. Устройство регенерируемое для очистки жидких сред, включающее электрохимическую ячейку, состоящую не менее чем из двух элементов, выполненных из углеродного материала с высокой удельной поверхностью и высокой сорбционной емкостью одного из элементов, между которыми расположена перегородка, отличающееся тем, что по крайней мере один из элементов выполнен в виде проницаемого сорбционно-активного слоя на подложке, в котором сорбционно-активный слой выполнен из смеси углеродных материалов, включающей активированные углеродные материалы, один из которых активированные углеродные волокна, а соотношение объема проницаемого сорбционно-активного слоя к объему подложки составляет не менее 1.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проницаемый сорбционно-активный слой выполнен в виде композиции из смеси компонентов, один из которых активированные углеродные волокна.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проницаемый сорбционно-активный слой выполнен в виде тканого и/или нетканого материала.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проницаемый сорбционно-активный слой содержит не менее 5 вес. % активированных углеродных волокон.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проницаемый сорбционно-активный слой содержит активированные углеродные волокна длиной не менее 1 мм.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проницаемый сорбционно-активный слой содержит активированные углеродные волокна диаметром от 1 до 30 мкм.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что объем проницаемого сорбционно-активного слоя к объему подложки преимущественно составляет не менее 50.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проницаемый сорбционно-активный слой дополнительно содержит полимерный материал.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложка выполнена из электропроводного углеродного непористого материала.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что подложка выполнена из графита.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перегородка выполнена из полимерного и/или керамического или ионообменного материалов.

12. Установка для очистки жидких сред, содержащая блок фильтрации, блок питания и блок управления, отличающаяся тем, что блок фильтрации содержит устройство по пп. 1-11.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7