RU2324529C2 - Electro-baromembranous apparatus of flat chamber type - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanic.

SUBSTANCE: apparatus includes channels for inlet and outlet for the mixture being separated, and for outlet of permeate, a device for direct current conveying; separating chambers, electrodes, and membranes installed in sequence. The electrodes are designed bipolar; each of them includes porous cathode and porous anode connected to the device for direct current conveying, graphite fabric, and dielectric partition between them. Each electrode is equipped with an anode membrane and a cathode membrane; the channel between the membranes has spacers installed, designed as an ion-conducting grid, between the nodes of which, ion-exchange material granules are placed. The graphite fabric serves as a unipolar electrode and a drain for the outlet of permeate.

EFFECT: increase in membrane area and decrease in energy consumption.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области разделения, концентрирования и очистки растворов методами электромикрофильтрации, электроультрафильтрации, электроосмофильтрации и может быть использовано в химической, текстильной, целлюлозно-бумажной, микробиологической, пищевой и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of separation, concentration and purification of solutions by electro-microfiltration, electro-ultrafiltration, electroosmofiltration methods and can be used in chemical, textile, pulp and paper, microbiological, food and other industries.

Аналогом данной конструкции является баромембранный аппарат, приведенный в работе Дытнерского Ю.И. «Обратный осмос и ультрафильтрация». М.: Химия, 1978, стр.111, 197-200. Он представляет собой однокамерный аппарат, состоящий из пористого анода и катода, прианодной и прикатодной мембран. Недостатками являются малая площадь разделения при высоких энергозатратах на процесс разделения. Эти недостатки частично устранены в прототипе.An analog of this design is the baromembrane apparatus, given in the work of Yu. "Reverse osmosis and ultrafiltration." M .: Chemistry, 1978, p. 111, 197-200. It is a single-chamber apparatus consisting of a porous anode and cathode, an anode and cathode membranes. The disadvantages are the small separation area with high energy consumption for the separation process. These disadvantages are partially eliminated in the prototype.

Прототипом данной конструкции является аппарат плоскокамерного типа, конструкция которого приведена в авторском свидетельстве SU 1664353 А1, 03.02.1989. Известный аппарат состоит из каналов ввода и вывода разделяемого раствора и отвода пермеата, устройства для подвода постоянного тока, последовательно расположенных камер разделения, электродов, мембран, причем в межмембранном пространстве расположен ионообменный материал, выполняющий функцию сепаратора. Недостатком являются малая площадь размещения мембран в единице объема аппарата, низкая эффективность разделения и высокие энергозатраты на процесс разделения.The prototype of this design is a flat-chamber type apparatus, the design of which is given in the copyright certificate SU 1664353 A1, 02/03/1989. The known apparatus consists of channels for input and output of the solution to be separated and for removal of permeate, a device for supplying direct current, sequentially located separation chambers, electrodes, membranes, and in the intermembrane space there is an ion-exchange material that acts as a separator. The disadvantage is the small membrane placement area per unit volume of the apparatus, low separation efficiency and high energy consumption for the separation process.

Техническая задача - увеличение площади мембран, повышение эффективности разделения и снижение энергозатрат в электробаромембранном аппарате за счет замены средней части последовательно расположенных биполярных электродов диэлектрической перегородкой и графитовой тканью, служащей монополярным электродом и дренажом для отвода пермеата, а в межмембранном канале расположены ионообменные спейсеры, состоящие из ионообменной сетки и гранул.The technical task is to increase the membrane area, increase the separation efficiency and reduce energy consumption in the electrobaric membrane apparatus by replacing the middle part of the bipolar electrodes in series with a dielectric partition and graphite fabric, which serves as a unipolar electrode and drainage for permeate removal, and ion-exchange spacers are located in the intermembrane channel, consisting of ion exchange mesh and granules.

На фиг.1 изображен электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, продольный разрез; фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; фиг.3 - схема ионопроводящего спейсера с мембранами; фиг.4 - пористый биполярный электрод, продольный разрез; фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.4.Figure 1 shows the electrobaromembrane apparatus flat-chamber type, a longitudinal section; figure 2 - section aa in figure 1; figure 3 - diagram of the ion-conducting spacer with membranes; 4 is a porous bipolar electrode, a longitudinal section; 5 is a section bB in figure 4.

Электробаромембранный аппарат состоит из двух фланцев 1 с каналами 2 и 3 ввода и вывода разделяемого раствора и каналами 4 и 5 для отвода прикатодного и прианодного пермеата, отверстий 6 для шпилек, устройства 7 для подвода постоянного электрического тока к параллельно соединенным камерам аппарата, прикатодных и прианодных мембран 8 и 9, ионопроводящих спейсеров 11, переточных отверстий 12, шпилек 13, прокладок 14, пористого биполярного электрода 15, графитовой ткани 10 и диэлектрической перегородки 16.The electro-baromembrane apparatus consists of two flanges 1 with channels 2 and 3 for input and output of the solution to be separated and channels 4 and 5 for the removal of the near-cathode and anode permeate, holes 6 for hairpins, a device 7 for supplying direct electric current to the parallel connected chambers of the device, near-cathode and anode membranes 8 and 9, ion-conducting spacers 11, transfer holes 12, studs 13, gaskets 14, porous bipolar electrode 15, graphite fabric 10 and dielectric septum 16.

Ионопроводящий спейсер 11 состоит из катионообменных сеток 17 и помещенных в один ряд в межузлия гранул анионообменников 18.The ion-conducting spacer 11 consists of cation-exchange nets 17 and placed in a row in the interstice of granules of anion exchangers 18.

Пористый биполярный электрод 15 состоит из двух пористых электродов - анода 19 и катода 20, которые могут быть выполнены из пористой нержавеющей стали, титана или никеля, графитовой ткани 10, которая расположена в средней части биполярного электрода и служит токопроводящим материалом, а также дренажом для отвода пермеата, каналов для отвода прикатодного 4 и прианодного 5 пермеата, диэлектрической перегородки 16, переточного отверстия 12, служащего для перехода разделяемого раствора из камеры в камеру, отверстий под шпильки 6, устройства для подвода постоянного электрического тока 7.The porous bipolar electrode 15 consists of two porous electrodes - the anode 19 and the cathode 20, which can be made of porous stainless steel, titanium or nickel, graphite fabric 10, which is located in the middle of the bipolar electrode and serves as a conductive material, as well as drainage for removal permeate, channels for removal of the near-cathode 4 and anode 5 permeate, dielectric septum 16, transfer hole 12, used to transfer the shared solution from the chamber to the chamber, holes for the studs 6, devices for suspension and 7, a constant electric current.

Аппарат работает следующим образом.The device operates as follows.

Исходный раствор под давлением, превышающем осмотическое давление растворенных в нем веществ, по каналу 2, фиг.1, 2, подается в первую камеру разделения. В этот же момент времени к аппарату подводится внешнее постоянное электрическое поле с заданной плотностью тока. Затем раствор, через ионопроводящий спейсер 11, фиг.3, поступает к мембранам. В камере разделения анионы, проникающие через прианодную мембрану 8, расположенную вместе с анодом на фланце 1, отводятся с пермеатом по каналам 4 в виде кислот, а катионы, проникающие через прикатодную мембрану 9, находящуюся на катоде 20 пористого биполярного электрода 15, фиг.4, 5, отводятся с пермеатом по каналам 5 в виде оснований. Далее разделяемый раствор переходит из камеры в камеру по переточным отверстиям 12, где происходит аналогичное разделение, анионы и катионы с пермеатом отводятся через прианодную и прикатодную мембраны 8, 9 в виде кислот и оснований. Исходный раствор, протекая по всем камерам, очищается от анионов и катионов. После разделения исходный раствор отводится по каналу 3.The initial solution at a pressure exceeding the osmotic pressure of the substances dissolved in it, is fed into the first separation chamber through channel 2, FIGS. 1, 2. At the same time, an external constant electric field with a given current density is supplied to the apparatus. Then the solution, through the ion-conducting spacer 11, figure 3, enters the membranes. In the separation chamber, anions penetrating through the anode membrane 8 located together with the anode on flange 1 are diverted with permeate through channels 4 in the form of acids, and cations penetrating through the cathode membrane 9 located on the cathode 20 of the porous bipolar electrode 15, FIG. 4 , 5, are discharged with permeate through channels 5 in the form of bases. Next, the solution to be separated passes from chamber to chamber through transfer openings 12, where a similar separation occurs, anions and cations with permeate are discharged through the anode and cathode membranes 8, 9 in the form of acids and bases. The initial solution, flowing through all the chambers, is purified from anions and cations. After separation, the initial solution is discharged through channel 3.

Графитовая ткань является токопроводящим материалом между электродами и дренажом для отвода пермеата, фиг.4, 5.Graphite fabric is a conductive material between the electrodes and the drainage for the removal of permeate, figure 4, 5.

Заполнение камеры разделения ионопроводящими наполнителями позволяет совместить периодическую деполяризацию (разрушение диффузионных слоев) с увеличением поверхности массообмена, по сравнению с инертными турболизаторами, экранирующими часть рабочей поверхности мембраны, и позволяет уменьшить электрическое сопротивление электромембранной системы. Таким образом, наличие ионопроводящих спейсеров, фиг.2, 3 приводит к увеличению локальной скорости потока раствора в местах сужения канала и образованию зоны повышенного массопереноса. Также функцией спейсеров, заполняющих межмембранное пространство при электробаромембранном процессе, является предотвращение слипания мембран, которое приводит к протеканию тока через контакт и прогоранию мембран вследствие выделения большого количества Джоулева тепла. Кроме того, спейсеры, разделяющие мембраны, интенсифицируют массоперенос за счет турбулизации потока, а следовательно, и снижения концентрационной поляризации.Filling the separation chamber with ion-conducting fillers allows combining periodic depolarization (destruction of diffusion layers) with an increase in the mass transfer surface, compared to inert turbolizers that shield part of the membrane’s working surface, and allows reducing the electrical resistance of the electromembrane system. Thus, the presence of ion-conducting spacers, Fig.2, 3 leads to an increase in the local flow rate of the solution in the narrowing of the channel and the formation of the zone of increased mass transfer. Also, the function of the spacers filling the intermembrane space during the electrobaromembrane process is to prevent adhesion of the membranes, which leads to the flow of current through the contact and the burning of the membranes due to the release of a large amount of Joule heat. In addition, spacers separating the membranes intensify mass transfer due to turbulence in the flow and, consequently, a decrease in concentration polarization.

Claims (1)

Электробаромембранный аппарат плоскокамерного типа, включающий каналы ввода и вывода разделяемого раствора и отвода пермеата, устройство для подвода постоянного тока, последовательно расположенные камеры разделения, электроды, мембраны, разделенные ионообменным материалом, отличающийся тем, что электроды выполнены биполярными, каждый из которых включает соединенные с устройством для подвода постоянного тока пористые анод и катод, графитовую ткань и диэлектрическую перегородку между ними, а также каналы для отвода прианодного и прикатодного пермеата и переточные отверстия для протекания разделяемого раствора из камеры в камеру, при этом каждый электрод снабжен прианодной и прикатодной мембранами, а в межмембранном канале установлены спейсеры, выполненные в виде ионопроводящей сетки, в межузлия которой помещены гранулы ионообменного материала.The flat-chamber electrobaromembrane apparatus including input and output channels of the solution to be separated and permeate withdrawal, a DC supply device, sequentially located separation chambers, electrodes, membranes separated by ion-exchange material, characterized in that the electrodes are made of bipolar, each of which includes connected to the device for direct current supply, the porous anode and cathode, graphite fabric and the dielectric partition between them, as well as channels for the removal of the anode and permeate and transfer openings for the solution to be separated from the chamber to the chamber, with each electrode having an anode and cathode membranes, and spacers made in the form of an ion-conducting network with granules of ion-exchange material placed in the intermembrane channel.

Images