Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды
Владельцы патента RU 2252920:
Государственное научное учреждение Поволжский научно-исследовательский институт эколого-мелиоративных технологий (RU)
Изобретение относится к техническим средствам для электрохимической активации питьевой и оросительной воды с обеспечением ее окислительно-восстановительных свойств и повышения биологической ценности. Установка содержит диафрагменный электролизер с вертикально установленными цилиндрическими электродами: трубчатым катодом и стержневым анодом, между которыми размещена тонкостенная трубчатая пористая диафрагма. Внутренний диаметр полого цилиндрического катода и диаметр стержневого анода устанавливают из следующих зависимостей:
а величину скорости движения воды в катодной камере - из выражения
где dк - внутренний диаметр полого цилиндрического катода, мм; k - коэффициент соответствия размерностям ; k1 – коэффициент пропорциональности, м-2; Q - максимальная производительность установки, м3/с; Н0 - напор воды перед входом в катодную камеру, м; L - длина катодной камеры, м; Δ 1 ≤0,004 - зазор между внутренней поверхностью полого цилиндрического катода и диафрагмой, м; Δ 2 ≤0,004 - зазор между поверхностью анода и внутренней поверхностью диафрагмы, м; δ - толщина диафрагмы, м; Vк - скорость движения воды в катодной камере, м/с; Dd=(Dк-2Δ 1) - внешний диаметр диафрагмы, м. Технический эффект - повышение качества питьевой и оросительной воды и, как следствие, урожайности сельскохозяйственных культур за счет обеспечения ее оптимальных окислительно-восстановительных свойств при электрохимической активации. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к техническим средствам для электрохимической активации питьевой и оросительной воды с обеспечением ее окислительно-восстановительных свойств и повышения биологической ценности.
Известен электролизер для обработки воды, содержащий корпус, разделенный диафрагмой на анодную и катодную камеры с размещенными в них перфорированными электродами, прижатыми к диафрагме, при этом поверхность электродов, обращенная к диафрагме, покрыта электроизоляционным материалом, а перфорация электродов выполнена соосно (SU, авторское свидетельство №882944 А, М.Кл.3 С 02 F 1/46. Электролизер для обработки воды. / В.Л.Филипчук, И.Г.Лирисман и Ф.В.Косовцев. - Заявка №2768972/23-26; Заявлено 21.05.1979; Опубл. 23.11.1979, Бюл. №43).
К недостаткам известного устройства относятся низкая производительность, отсутствие возможности получения непрерывного потока воды, а также регулирования расхода воды с отрицательным и положительным потенциалами.
Известен также электролизер для обработки воды, включающий корпус, разделенный диафрагмой на анодную и катодную камеры с размещенными в них анодом и катодом, при этом на поверхности электродов со стороны межэлектродного пространства установлены вертикальные ребра, прижимающие диафрагму к поверхности противоположного электрода, причем на аноде и катоде ребра установлены в чередующемся порядке и выполнены из токопроводящего материала (SU, авторское свидетельство №1468867 А1, МПК4 С 02 F 1/46. Электролизер для обработки воды. / В.М.Рогов, В.А.Кирсанов, В.Н.Анопольский, В.А.Швороб, Н.С.Кирилюк и А.М.Сережина - Заявка №4211825/23-26; Заявлено 18.03.1987; Опубл. 30.03.1989, Бюл. №12).
Существенный недостаток устройства, имеющего плоскопараллельные электроды, заключается в принципиальной непригодности для использования в процессах электрохимической обработки воды или растворов, минерализация которых меньше 10 г/л. Это ранее не известное явление связано с образованием застойных зон и зон замедленного протока с увеличенной концентрацией продуктов электрохимических реакций, что приводит к непераспределению плотности тока по поверхности электродов и значительно ухудшает технические параметры электрохимического реактора. К другим недостаткам этого устройства относятся сложность конструкции, отсутствие возможности регулирования расхода воды, протекающей через катодные и анодные камеры, и создания заданного отрицательного и положительного потенциалов питьевой и оросительной воды.
Наиболее близким аналогом к заявленному объекту относится проточный электрохимический модульный элемент ПЭМ-3, содержащий вертикально установленные цилиндрический (трубчатый) и стержневой электроды (катод и анод), между которыми размещена трубчатая пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную, снабженных патрубками для раздельного подвода и отвода электрохимически обработанной воды с отрицательным и положительным потенциалами, источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, причем электроды (катод, анод) и диафрагма закреплены взаимно неподвижно, герметично и строго коаксиально при помощи втулок из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец, которые стягиваются посредством гаек с шайбами на резьбовых (концевых) частях стержневого анода (см., например, Бахир В.М. и др. Электрохимическая активация: история, состояние, перспективы. Под ред. д.т.н, проф. Бахира В.М. - М.: АМТН РФ, ВНИИИМТ, 1999. - С.24... 122).
К недостаткам этой установки, принятой нами- в качестве наиближайшего аналога, относятся высокая стоимость, недостаточная надежность и электробезопасность в процессе эксплуатации, необоснованность параметров установки в зависимости от ее максимальной производительности, отсутствие возможности регулирования расхода воды, протекающей через катодную и анодную камеры и создания заданного оптимального отрицательного и положительного потенциала подаваемой питьевой воды и на орошение, а также возможности смешивания католита и аналита в необходимой пропорции, обеспечивающей оптимальные условия для предпосевной обработки семян, роста и развития сельскохозяйственных культур.
Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение эффективности, надежности и электробезопасности установки для электрохимической активации питьевой и оросительной воды.
Технический результат - повышение качества питьевой и оросительной воды и, как следствие, урожайности сельскохозяйственных культур за счет обеспечения ее оптимальных окислительно-восстановительных и биологических свойств при электрохимической активации на предлагаемой установке.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной установке для электрохимической активации питьевой и оросительной воды, содержащей (в комплексе конструктивных элементов) вертикально установленные полый цилиндрический (трубчатый) и стержневой электроды (катод и анод), между которыми размещена трубчатая пористая диафрагма, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную, снабженных патрубками для раздельного подвода и отвода электрохимически обработанной воды с отрицательным и положительным потенциалами, источник тока, соединенный с электродами через узел коммутации, причем электроды (катод, анод) и диафрагма закреплены взаимно неподвижно, герметично и строго коаксиально при помощи втулок из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец, которые стягиваются посредством гаек с шайбами на резьбовых (концевых) частях стержневого анода, согласно изобретению диафрагма установки выполнена из недефицитного и недорогостоящего экологически совершенного материала - трубчатого полипропилена, по внешней поверхности которого просверлены радиальные отверстия диаметром 1... 8 мм с шагом: для отверстий диаметром 4... 8 мм - 15 мм; для отверстий диаметром 2... 4 мм - 8 мм; для отверстий диаметром 1... 2 мм - 6 мм, причем по внешней поверхности диафрагма покрыта плотно натянутым нетканым полотном по ТУ 17 РСФСР 62-11262-86 (состав, мас.%: полипропилен 70, полиэфир 30) или другим экологически приемлемым водостойким материалом; корпус установки являющийся катодом, выполнен из нержавеющей трубы пищевого назначения, на которую плотно установлена полипропиленовая труба соответствующего диаметра, герметично склеенная (термическим методом) с наружной поверхностью трубы - катода; внутренний диаметр полого цилиндрического катода и диаметр стержневого анода устанавливают из следующих зависимостей:
и
а величину скорости движения воды в катодной камере - из выражения
входной патрубок катодной камеры выполнен в виде полого цилиндра, длину которого определяют из зависимости а его внутренний диаметр -
выходной патрубок катодной камеры выполнен в виде усеченного полого конуса, длину которого устанавливают из зависимости
а диаметры конуса
и
длину входного цилиндрического патрубка анодной -камеры принимают из соотношения
а его внутренний диаметр -
выходной цилиндрический патрубок анодной камеры имеет длину
с внутренним диаметром -
где dк - внутренний диаметр полого цилиндрического катода, мм;
k - коэффициент пропорциональности, ;
Q - максимальная производительность установки, м3/с;
Н0 - напор воды перед входом в катодную камеру, м;
L - длина катодной камеры, м;
k1 - коэффициент пропорциональности, м-1;
Δ 1 - зазор между внутренней поверхностью полого цилиндрического катода и диафрагмой, Δ 1 ≤0,004 м;
Δ 2 - зазор между поверхностью анода и внутренней поверхностью диафрагмы, Δ 2 ≤0,004 м;
Da - диаметр стержневого анода, м;
δ - толщина диафрагмы, м;
Vк- скорость движения воды в катодной камере, м/с;
l1вx - длина входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м;
d1вx - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м;
l2вых - длина выходного патрубка катодной камеры, м;
d1выx - наименьший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м;
d2выx - наибольший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м;
l3вх - длина входного патрубка анодной камеры, м;
d3вх - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка анодной камеры, м;
l4вых - длина выходного патрубка анодной камеры установки, м;
d4вх - внутренний диаметр выходного цилиндрического патрубка анодной камеры установки, м;
при этом патрубки для отвода воды из катодной и анодной камер снабжены расходомерами и вентилями для регулирования величины расхода активированной воды, а на подводящем участке водопровода перед входными патрубками катодной и анодной камер установлен манометр для определения гидравлического напора и вентиль.
Изобретение поясняется иллюстрационным материалом.
На фиг.1 представлена схема установки для электрохимической активации питьевой и оросительной воды; на фиг.2 - электрохимический активатор модульного типа.
Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного изобретения, заключаются в следующем.
Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды (см. фиг.1) состоит из напорного источника 1 обрабатываемой воды, из электролитического элемента модульного типа 2, выполненного в виде диафрагменного цилиндрического электролизера, перед входными патрубками 3, 4 которого установлены манометр 5 и вентиль 6, а выходные патрубки 7, 8 оборудованы вентилями 9, 10 и расходомерами 11, 12, из источника тока 13, соединенного с клеммой анода 14 и с клеммой катода 15 через узел коммутации, включающий разделительный трансформатор 16, регулятор напряжения 17, диодный мост 18, вольтметр 19, амперметр 20.
Основным конструктивным узлом установки для получения электрохимически активированной питьевой и оросительной воды (см. фиг.2) является диафрагменный электролизер 2 с вертикально установленными цилиндрическими электродами: стержневым анодом 21 и трубчатым катодом 22, выполненных из нержавеющей стали пищевого назначения, между которыми размещена тонкостенная трубчатая пористая диафрагма 23, выполненная, например, из недефицитного и недорогостоящего экологически чистого совершенного материала - трубчатого полипропилена, по внешней поверхности которого просверлены радиальные отверстия диаметром от 1 до 8 мм с шагом: для отверстий диаметром 4... 8 мм - 15 мм; для отверстий диаметром 2... 4 мм - 8 мм; для отверстий диаметром 1... 2 мм - 6 мм, причем по внешней поверхности диафрагма покрыта плотно натянутым нетканым полотном по ТУ 17 РСФСР 62-11262-86 (состав, мас.%: полипропилен 70, полиэфир 30) или другим экологически приемлемым водостойким материалом, разделяющая межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную 24 и катодную 25. Электроды 21, 22 и диафрагма 23 закреплены взаимно неподвижно, герметично и строго коаксиально при помощи втулок 26 из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец 27, 28, 29. Все уплотнения в диафрагменном электролизере герметизируются при стягивании электродов 21 и 22, диафрагмы 23, втулок 26 и головок 30 при помощи гаек 31 с шайбами 32 на резьбовых (концевых) частях анода 21. Каждая втулка снабжена патрубками для гидравлического сообщения с соответствующей электродной камерой: через патрубки 3, 7 обеспечивается проток воды в катодной камере 25, через патрубки 4, 8 - в анодной камере 24. На клеммах 14 анода и клеммах 15 катода имеются гайки 33 с шайбами 34 для обеспечения электрического контакта.
Внутренний диаметр полого цилиндрического катода 22 и диаметр стержневого анода 21 устанавливают из следующих зависимостей:
и
а величину скорости движения воды в катодной камере 23 определяют из выражения
где Dк - внутренний диаметр полого цилиндрического катода, мм;
k - коэффициент пропорциональности, ;
Q - максимальная производительность установки, м3/с;
Н0 - напор воды перед входом в катодную камеру, м;
L - длина катодной камеры, м;
k1 - коэффициент пропорциональности, м-1;
Δ 1 - зазор между внутренней поверхностью полого цилиндрического катода и диафрагмой, Δ 1 ≤0,004 м;
Δ 2 - зазор между поверхностью анода и внутренней поверхностью диафрагмы, Δ 2 ≤0,004 м;
Da - диаметр стержневого анода, м;
δ - толщина диафрагмы, м;
Vк - скорость движения воды в катодной камере, м/с;
Входной патрубок катодной камеры выполнен в виде полого цилиндра, длину которого определяют из зависимости а его внутренний диаметр -
где l1вх - длина входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м;
d1вx - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м;
Dк - внутренний диаметр полого цилиндрического катода, м.
Выходной патрубок катодной камеры выполнен в виде усеченного полого конуса, длину которого устанавливают из зависимости а диаметры конуса
и
где l2вых - длина выходного патрубка катодной камеры, м;
d1выx - наименьший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м;
d2выx - наибольший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м;
Dк - внутренний диаметр полого цилиндрического катода установки, м.
Длину входного цилиндрического патрубка анодной камеры принимают из соотношения
а его внутренний диаметр устанавливается из соотношения
где l3вх - длина входного патрубка анодной камеры, м;
d3вx - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка анодной камеры, м;
Dк - внутренний диаметр цилиндрического катода, м. Выходной цилиндрический патрубок анодной камеры имеет длину
с внутренним диаметром -
где l4вых - длина выходного патрубка анодной камеры установки, м;
d4вx - внутренний диаметр выходного цилиндрического патрубка анодной камеры установки, м;
dк - внутренний диаметр цилиндрического катода, м.
Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды работает следующим образом.
Обрабатываемая вода из напорного источника 1 под рабочим давлением от 0,2 МПа до 0,8 МПа подается через патрубки 3 и 4 в катодную 25 и анодную 24 камеры. При подаче потенциала напряжением 24 В на клемму 14 анод и клемму 15 катод в камерах 24 и 25 начинается процесс электролиза воды. Под действием электрического тока на аноде 21 происходит разряд молекул воды с образованием H+ и газообразного кислорода. На катоде 22 происходит разряд молекул воды с образованием ионов ОН- и газообразного водорода. Вследствие этого в анодной камере 24 получают анолит с рН 2,7... 4,5 и окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП), равным +400... 1100 мВ, а в катодной камере 25 - католит с рН 10,9... 11,8 и ОВП в пределах -150... -1050 мВ.
При капельном орошении овощных культур, в частности томата сорта “Новичок”, урожайность с контролем увеличилась до 50% при той же норме расхода поливной воды на 1 га.
ПРИМЕР. Максимальная производительность установки для электрохимической активации питьевой и оросительной воды составляет Q=1,08 м3/час, напор воды перед входом в катодную камеру Н0=30 м вод. ст., длина катодной камеры L=0,5 м, зазор между внутренней поверхностью полого цилиндрического катода и диафрагмой Δ 1=0,004 м, зазор между поверхностью анода и внутренней поверхностью диафрагмы Δ 2=0,004 м, толщина диафрагмы δ =0,002 м.
Перед входными патрубками 3 и 4 катодной и анодной камер смонтированы манометр 5 и вентиль 6 для регулирования расхода воды.
Патрубки 7 и 8 для отвода воды из катодной и анодной камер 24 и 25 снабжены расходомерами 11 и 12 и вентилями 9 и 10 для изменения величины расхода активированной воды.
Диафрагма 23 выполнена из трубчатого полипропилена с радиальными отверстиями на внешней поверхности диаметром 1... 8 мм с шагом: для отверстий диаметром 4... 8 мм - 15 мм; для отверстий диаметром 2... 4 мм - 8 мм; для отверстий диаметром 1... 2 мм - 6 мм.
Внутренний диаметр полого цилиндрического катода 22 установки для электрохимической активации составит
Диаметр стержневого анода 21 -
Da=0,028 м-2(0,004 м+0,004 м+0,002 м)=0,008 м.
Внешний диаметр диафрагмы 23 -
Dd=0,028 м-2· 0,004 м=0,020 м.
Величина скорости движения воды в катодной камере 24 -
Внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка 3 катодной камеры 25 - d1вx=0,908· 0,028 м=0,0254 м, а его длина l1вх=3· 0,0254 м=0,076 м.
Диаметры выходного патрубка 7 катодной камеры 25, выполненного в виде усеченного полого конуса, составляют d1вx=0,454· 0,028 м=0,0127 м, d2вx=0,908· 0,028 м=0,0254 м, а его длина - l2вх=3· 0,0254 м=0,076 м.
Внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка 4 анодной камеры 24 составляет d3вх=0,68· 0,028 м=0,019 м, его длина - l3вх=3· 0,019 м=0,057 м.
Внутренний диаметр выходного цилиндрического патрубка 8 анодной камеры 24 d4выx=0,454· 0,028 м=0,0127 м, его длина - l4вых=3· 0,0127 м=0,0381 м.
Таким образом, вышеприведенные сведения свидетельствуют о том, что предлагаемая установка позволяет повысить качество питьевой и оросительной воды и, как следствие, урожайность сельскохозяйственных культур за счет обеспечения ее оптимальных окислительно-восстановительных потенциалов и биологических свойств при электрохимической активации, а также повышения эффективности, надежности и электробезопасности в процессе эксплуатации установки.
1. Установка для электрохимической активации питьевой и оросительной воды, содержащая вертикально установленные полый цилиндрический и стержневой электроды с трубчатой пористой диафрагмой между ними, разделяющей межэлектродное пространство на две электродные камеры - анодную и катодную, каждая из них имеющая патрубки для раздельного подвода и отвода электрохимически обработанной воды с отрицательным и положительным потенциалами, источник тока, соединенный через узел коммутации с электродами, смонтированными неподвижно и коаксиально совместно с диафрагмой, изолированными посредством втулок из диэлектрического материала и эластичных уплотнительных колец, размещенных на резьбовых частях стержневого анода, отличающаяся тем, что внутренний диаметр полого цилиндрического катода и диаметр стержневого анода устанавливают из следующих зависимостей:
а величину скорости движения воды в катодной камере - из выражения
где Dк - внутренний диаметр полого цилиндрического катода, мм;
k - коэффициент пропорциональности, ;
Q - максимальная производительность установки, м3/с;
Н0 - напор воды перед входом в катодную камеру, м;
L - длина катодной камеры, м;
k1 - коэффициент пропорциональности, м-1;
Δ 1 - зазор между внутренней поверхностью полого цилиндрического катода и диафрагмой, Δ 1≤0,004 м;
Δ 2 - зазор между поверхностью анода и внутренней поверхностью диафрагмы, Δ 2≤0,004 м;
Da - диаметр стержневого анода, м;
δ - толщина диафрагмы, м;
Vк - скорость движения воды в катодной камере, м/с;
Dd=(Dк-2Δ 1) - внешний диаметр диафрагмы, м;
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что входной патрубок катодной камеры выполнен в виде полого цилиндра, длину которого определяют из зависимости l1вx≥3d1вx, а его внутренний диаметр d1вx=0,908 Dк, где l1вx - длина входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м; d1вx - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка катодной камеры, м; Dк - внутренний диаметр полого цилиндрического катода.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выходной патрубок катодной камеры выполнен в виде усеченного полого конуса, длину которого устанавливают из зависимости l2вых≥3d2вых, а диаметры конуса d1вых=0,454 Dк и d2вых=0,908 Dк, где l2вых - длина выходного патрубка катодной камеры, м; d1выx - наименьший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м; d2вых - наибольший внутренний диаметр выходного конически сходящегося патрубка катодной камеры, м; Dк - внутренний диаметр полого цилиндрического катода установки, м.
4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что длину входного цилиндрического патрубка анодной камеры принимают из соотношения l3вх=3d3вх, а его внутренний диаметр устанавливают из соотношений d3вх=0,68 Dк, где l3вх - длина входного патрубка анодной камеры, м; d3вх - внутренний диаметр входного цилиндрического патрубка анодной камеры, м; Dк - внутренний диаметр цилиндрического катода, м.
5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выходной цилиндрический патрубок анодной камеры имеет длину l4вых≥3d4вых, с внутренним диаметром d4вых=0,454 Dк. где l4вых - длина выходного патрубка анодной камеры установки, м; d4вх - внутренний диаметр выходного цилиндрического патрубка анодной камеры установки, м; Dк - внутренний диаметр цилиндрического катода, м.
6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что перед входными патрубками катодной и анодной камер смонтированы манометр и вентиль для регулирования расхода воды.
7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что патрубки для отвода воды из катодной и анодной камер снабжены расходомерами и вентилями для изменения величины расхода активированной воды.
8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диафрагма выполнена из трубчатого полипропилена с радиальными отверстиями на внешней поверхности.
9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что отверстия в диафрагме выполнены диаметром 1÷ 8 мм с шагом:
для отверстий диаметром 4÷ 8 мм - 15 мм;
для отверстий диаметром 2÷ 4 мм - 8 мм;
для отверстий диаметром 1÷ 2 мм - 6 мм.