RU2454489C1 - Electrochemical cell for treatment of electrolyte solutions - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: according to invention electrochemical cell for treatment of electrolyte solutions, containing located in coaxial tubular electrodes isolated by tubular ceramic partition forming anode and cathode chambers, is provided with additional isolating membrane in upper part of anode chamber, which allows products of anodic treatment to leave the space before anode and prevents penetration of water delivered to the space above membrane. This solution allows to protect materials of collector sleeve, sealants from effect of strong oxidants - products of anodic reaction, as water is supplied via generatrix and moves from inlet to collector sleeve till outlet via spiral absorbing and dissolving bubbles of electrolytic gases and minor quantity of electrolyte which passed isolating membrane.

EFFECT: providing more complete conversion of electrolyte solution, obtaining more products of electrolysis, reducing energy looses.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электролиза водных растворов электролитов, и может быть использовано в различных процессах электролизного получения различных химических продуктов.The invention relates to the field of chemical technology, in particular to devices for the electrolysis of aqueous solutions of electrolytes, and can be used in various electrolysis processes for the production of various chemical products.

Электрохимическая или электролизная обработка жидкой среды является широко распространенным технологическим способом. Его практическая реализация осуществляется с применением электрохимических (электролитических, электролизных) устройств разного конструктивного исполнения.Electrochemical or electrolysis treatment of a liquid medium is a widespread technological method. Its practical implementation is carried out using electrochemical (electrolytic, electrolysis) devices of various designs.

Известно устройство для электрохимической обработки жидкой среды, выполненное в виде электролизера с плоскими монополярными электродами положительной и отрицательной полярности, между которыми образована межэлектродная полость (GB 1526687, G02F 1/46, 1978). В указанной межэлектродной полости этого устройства проводят электрохимическую обработку жидкой среды с получением смешанных анодных и катодных продуктов электролиза, а также выделяющихся при электролизе газов.A device is known for electrochemical processing of a liquid medium, made in the form of an electrolyzer with flat monopolar electrodes of positive and negative polarity, between which an interelectrode cavity is formed (GB 1526687, G02F 1/46, 1978). In the specified interelectrode cavity of this device, an electrochemical treatment of the liquid medium is carried out to obtain mixed anodic and cathodic electrolysis products, as well as gases released during electrolysis.

Известно также устройство для униполярной электрохимической обработки жидкой среды, выполненное в виде диафрагменного электролизера с плоскими монополярными электродами положительной и отрицательной полярности, между которыми размещен ионопроницаемый разделительный элемент в виде плоской диафрагмы или мембраны, разделяющий межэлектродную полость на анодную и катодную камеры с патрубками для подачи и отвода жидкой среды. В этих изолированных униполярных электродных камерах жидкая среда подвергается униполярной анодной или катодной электрохимической обработке с получением анодных или катодных продуктов электролиза, а также выделяющихся при электролизе газов («Очистка питьевой воды, синтез моющих, дезинфицирующих и стерилизующих растворов из воды», выпуск пятый, М., 1992, стр.5, 11, Рекламно-издательский центр ЯиК).A device for unipolar electrochemical processing of a liquid medium is also known, made in the form of a diaphragm electrolyzer with flat monopolar electrodes of positive and negative polarity, between which an ion-permeable separation element is arranged in the form of a flat diaphragm or membrane that separates the interelectrode cavity into the anode and cathode chambers with supply pipes and drainage of liquid medium. In these isolated unipolar electrode chambers, the liquid medium is subjected to a unipolar anodic or cathodic electrochemical treatment to obtain anodic or cathodic electrolysis products, as well as gases released during electrolysis ("Purification of Drinking Water, Synthesis of Washing, Disinfecting and Sterilizing Solutions from Water", fifth edition, M ., 1992, p. 5, 11, Publishing and Publishing Center YaiK).

Известно электрохимическое диафрагменное устройство с плоскими монополярными электродами положительной и отрицательной полярности, между которыми размещен ионопроницаемый разделительный элемент в виде плоской полимерной мембраны, разделяющий межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры с патрубками для подачи и отвода жидкой среды, причем в анодной камере также расположен по меньшей мере один плоский биполярный электрод (US 4248681, C25B 1/22, 1981).An electrochemical diaphragm device with flat monopolar electrodes of positive and negative polarity is known, between which an ion-permeable separation element in the form of a flat polymer membrane is placed, separating the interelectrode space into the anode and cathode chambers with nozzles for supplying and discharging a liquid medium, and at least in the anode chamber at least one flat bipolar electrode (US 4248681, C25B 1/22, 1981).

При эксплуатации этого устройства электрохимической обработке подвергается насыщенный раствор натрия хлорида, причем в электродной камере с анодом и одним или несколькими биполярными электродами получают смесь хлора с двуокисью хлора, используемую для обеззараживания воды в плавательном бассейне.When this device is used, a saturated solution of sodium chloride is subjected to electrochemical treatment, and in the electrode chamber with an anode and one or more bipolar electrodes, a mixture of chlorine with chlorine dioxide is obtained, which is used to disinfect water in the swimming pool.

Известно также устройство проточное электрохимическое (проточный электролитический элемент), используемое в составе электрохимической установки для обработки воды или водно-солевого раствора. Оно содержит коаксиально расположенные в вертикальной плоскости трубчатый и стержневой цилиндрические монополярные электроды, между которыми образована кольцевая межэлектродная полость, разделенная ионопроницаемой керамической трубчатой диафрагмой на изолированные униполярные электродные кольцевые камеры. На противоположных концах электродов установлены диэлектрические разъемные коллекторные элементы с патрубками для подачи и отвода жидкой среды, состоящие из коллекторной втулки и коллекторной головки, между обращенными друг к другу состыкованными поверхностями которых образован кольцевой паз. В нем установлен эластичный уплотнительный кольцевой элемент, в котором закреплен конец керамической трубчатой диафрагмы, а зазор между обращенными друг к другу поверхностями коллекторной втулки и монополярного трубчатого электрода уплотнен герметикой. На торцевой стенке коллекторной головки имеется кольцевая канавка с уплотнительным кольцевым элементом, а на резьбовых концах монополярного стержневого электрода, которые расположены снаружи коллекторной головки, установлены стандартные крепежные элементы в виде гайки и шайбы (US 5628888, C25B 9/00, 1996).Also known is a flow-through electrochemical device (flow-through electrolytic cell) used as part of an electrochemical installation for treating water or a water-salt solution. It contains a tubular and rod-shaped cylindrical monopolar electrodes coaxially arranged in a vertical plane, between which an annular interelectrode cavity is formed, separated by an ion-permeable ceramic tube diaphragm into isolated unipolar electrode annular chambers. At the opposite ends of the electrodes, dielectric detachable collector elements with nozzles for supplying and discharging a liquid medium are installed, consisting of a collector sleeve and a collector head, between which facing surfaces are joined together, an annular groove is formed. An elastic sealing ring element is installed in it, in which the end of the ceramic tubular diaphragm is fixed, and the gap between the surfaces of the collector sleeve and the monopolar tubular electrode facing each other is sealed. On the end wall of the collector head there is an annular groove with a sealing ring element, and on the threaded ends of the monopolar rod electrode, which are located outside the collector head, standard fasteners in the form of a nut and washer are installed (US 5628888, C25B 9/00, 1996).

Недостаток этого проточного электрохимического устройства состоит в усложненной конструкции его разъемного коллекторного элемента в виде втулки, состыкованной с коллекторной головкой, а также в невысокой надежности уплотнения кольцевого зазора посредством герметика, наносимого ручным способом.The disadvantage of this flow-through electrochemical device is the complicated design of its detachable collector element in the form of a sleeve coupled to the collector head, as well as the low reliability of sealing the annular gap by means of a manually applied sealant.

Ближайшим прототипом предложенного электрохимического устройства является электрохимическое устройство для обработки жидкой среды, выполненное в виде трубчатого и стержневого коаксиально расположенных монополярных цилиндрических электродов с закрепленными на их концах диэлектрическими коллекторными втулками, внутренняя полость которых сообщена с кольцевой межэлектродной полостью между обращенными друг к другу поверхностями монополярных электродов, с каналами и патрубками для подачи и отвода жидкой среды и герметизирована эластичными кольцевыми элементами, в кольцевой межэлектродной полости коаксиально размещен ионопроницаемый диафрагменный или мембранный разделительный трубчатый элемент и/или по меньшей мере один биполярный трубчатый электрод, закрепленные эластичными кольцевыми элементами, причем межэлектродная кольцевая полость разделена на сообщающиеся или изолированные электродные камеры и/или на электролизные ячейки для получения униполярных и/или смешанных разнополярных продуктов электролиза, коллекторные втулки выполнены со ступенчатой внутренней поверхностью, а патрубки для подачи и/или отвода жидкой среды расположены на боковой и/или торцевой поверхности по меньшей мере одной из коллекторных втулок (RU 2130786, C25B 2/18, C02F 1/46, опубл. 27.05.1999).The closest prototype of the proposed electrochemical device is an electrochemical device for processing a liquid medium, made in the form of a tubular and rod coaxially arranged monopolar cylindrical electrodes with dielectric collector sleeves fixed at their ends, the inner cavity of which is connected with the annular interelectrode cavity between the surfaces of the monopolar electrodes facing each other, with channels and nozzles for supplying and discharging liquid medium and sealed elas In the annular interelectrode cavity, an ion-permeable diaphragm or membrane separating tubular element and / or at least one bipolar tubular electrode secured by elastic annular elements, the interelectrode annular cavity is divided into communicating or insulated electrode chambers and / or electrolysis cells to obtain unipolar and / or mixed bipolar electrolysis products, the collector bushings are made with a step inside renney surface and pipes for supplying and / or removing the liquid medium are arranged on the side and / or end face of at least one of the collector sleeves (RU 2,130,786, C25B 2/18, C02F 1/46, publ. May 27, 1999).

Недостаток данного устройства заключается в недостаточной конверсии электролита или иного обрабатываемого раствора из-за неэффективности процесса переноса ионов вещества электролита.The disadvantage of this device is the lack of conversion of the electrolyte or other processed solution due to the inefficiency of the ion transport process of the electrolyte substance.

Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является обеспечение более полной конверсии раствора хлорида натрия или другого электролита и соответственно получение большего количества продуктов электролиза с меньшей площади используемых электродов, с меньшей потерей непрореагировавшего электролита. Также достигаемым техническим результатом является снижение потерь электроэнергии благодаря увеличению допустимой рабочей концентрации электролита.The technical result achieved by using the present invention is to provide a more complete conversion of a solution of sodium chloride or other electrolyte and, accordingly, to obtain more electrolysis products from a smaller area of the electrodes used, with less loss of unreacted electrolyte. Also achieved technical result is the reduction of energy losses due to an increase in the permissible working concentration of the electrolyte.

Указанный технический результат достигается тем, что электрохимическая ячейка для обработки растворов электролитов, содержащая размещенные в корпусе коаксиально расположенные трубчатые электроды, наружно расположенный из которых является анодом, а внутренне расположенный является катодом, и между которыми размещена трубчатой формы керамическая диафрагма для образования анодной и катодной камер, а также устройства подачи воды и солевого раствора и вывода их смеси, снабжена разделительной мембраной, вставленной в верхней части анодной камеры для отвода из полости перед анодом продуктов анодной обработки и исключения проникновения воды, подаваемой в полость над этой мембраной.The specified technical result is achieved in that the electrochemical cell for processing electrolyte solutions, containing coaxially located tubular electrodes located in the housing, the externally located of which is the anode and the internally located is the cathode, and between which is placed a tubular shaped ceramic diaphragm to form the anode and cathode chambers as well as a device for supplying water and saline solution and withdrawing their mixture, is equipped with a separation membrane inserted in the upper part of the anode a second chamber for removing from the cavity in front of the anode the products of the anode treatment and to prevent the penetration of water supplied to the cavity above this membrane.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These signs are significant and interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

На фиг.1 - конструктивная схема электрохимической ячейки.Figure 1 is a structural diagram of an electrochemical cell.

Согласно настоящему изобретению рассматривается устройство электрохимической ячейки для обработки растворов электролитов, которая позволяет обеспечить более полную конверсию раствора хлорида натрия или другого электролита и соответственно получить большее количество продуктов электролиза при меньшей площади используемых электродов и меньшей потери непрореагировавшего электролита.According to the present invention, an electrochemical cell device for processing electrolyte solutions is considered, which allows for a more complete conversion of a solution of sodium chloride or other electrolyte and, accordingly, to obtain a greater number of electrolysis products with a smaller area of electrodes used and less loss of unreacted electrolyte.

Устройство электрохимической ячейки для обработки растворов электролитов содержит корпус 1, в котором размещены коаксиально расположенные трубчатые электроды, наружно расположенный трубчатый электрод 2 является анодом, а внутри него расположен трубчатый электрод 3, являющийся катодом. Между трубчатыми электродами размещена трубчатой формы керамическая диафрагма 4, образующая анодную 5 и катодную 6 камеры путем разделения полости между внутренним и наружно размещенными электродами на две указанные камеры. Разделительная мембрана 7 вставляется в верхней части анодной камеры 5, которая позволяет покинуть пространство перед анодом продуктам анодной обработки и препятствует проникновению воды, подаваемой в пространство над мембраной. Солевой раствор из отдельной емкости 8 подается через регулируемый кран 9. Также имеется эжекторный насос 10 для перемещения смеси воды и католита в верхнее пространство анодной камеры между разделительной мембраной 7 и верхней частью коллекторной втулки. Электроды подключены к источнику электропитания питания через систему регулирования напряжения и тока. В корпусе организованы каналы для подводящих и отводящих патрубков для подачи воды и раствора хлорида натрия, канал 11 вывода анолита и смеси воды с солевым раствором.The device of the electrochemical cell for processing electrolyte solutions contains a housing 1 in which coaxially located tubular electrodes are placed, an externally located tubular electrode 2 is an anode, and a tubular electrode 3, which is a cathode, is located inside it. Between the tubular electrodes is placed a tubular shaped ceramic diaphragm 4, forming the anode 5 and cathode 6 of the chamber by dividing the cavity between the inner and outer placed electrodes into two of these chambers. The separation membrane 7 is inserted in the upper part of the anode chamber 5, which allows the anode treatment products to leave the space in front of the anode and prevents the penetration of water supplied into the space above the membrane. Saline solution from a separate container 8 is fed through an adjustable valve 9. There is also an ejector pump 10 for moving a mixture of water and catholyte into the upper space of the anode chamber between the separation membrane 7 and the upper part of the collector sleeve. The electrodes are connected to a power source through a voltage and current control system. In the case, channels for inlet and outlet pipes for supplying water and a solution of sodium chloride, channel 11 for the withdrawal of anolyte and a mixture of water with saline are organized.

В настоящем изобретении технический результат достигается тем, что в коаксиально расположенных трубчатых электродах, разделенных трубчатой керамической диафрагмой, образующей анодную и катодную камеры, вставляется дополнительная мембрана в верхней части анодной камеры, которая позволяет покинуть пространство перед анодом продуктам анодной обработки и препятствует проникновению воды, подаваемой в пространство над мембраной. Данное решение позволяет защитить материалы коллекторной втулки, уплотнители от воздействия сильных окислителей - продуктов анодной реакции, так как вода подается по образующей и движется от входа в коллекторную втулку до выхода из нее по спирали, захватывая и растворяя в себе пузырьки электролизных газов и незначительное количество электролита, прошедшего через разделительную мембрану. Увеличение сопротивления протоку воды, протекающей над разделительной мембраной, позволит эффективней осуществлять перенос ионов вещества электролита сквозь разделяющую керамическую диафрагму, что в свою очередь снизит энергопотребление ячейки в целом.In the present invention, the technical result is achieved in that in a coaxially arranged tubular electrodes, separated by a tubular ceramic diaphragm forming the anode and cathode chambers, an additional membrane is inserted in the upper part of the anode chamber, which allows the anode treatment products to leave the space in front of the anode and prevents the penetration of water supplied into the space above the membrane. This solution allows you to protect the materials of the collector sleeve, seals from the effects of strong oxidizing agents - the products of the anode reaction, since water is supplied along the generatrix and moves from the entrance to the collector sleeve to exit from it in a spiral, capturing and dissolving electrolysis gas bubbles and a small amount of electrolyte passing through the separation membrane. Increasing the resistance to the flow of water flowing over the separation membrane will allow more efficient transfer of ions of the electrolyte substance through the separating ceramic diaphragm, which in turn will reduce the energy consumption of the cell as a whole.

Электроды ячейки выполняются из титана, причем анод покрывается оксидом рутения и иридия для защиты анода от растворения и работы в качестве катализатора электролизных процессов. Марка титана должна соответствовать марке ВТ1-0 или ВТ1-00. Керамическая диафрагма изготавливается из оксида алюминия и диоксида циркония. Разделяющая мембрана изготавливается из химически стойких материалов, таких как фторопласт, и может иметь любую форму и уплотнение, выполняя функцию ниппеля. Коллекторная втулка электролизера изготавливается также из химически стойких материалов и имеет как минимум 3 присоединительных разъема.The cell electrodes are made of titanium, and the anode is coated with ruthenium and iridium oxide to protect the anode from dissolution and work as a catalyst for electrolysis processes. The grade of titanium must correspond to the grade of VT1-0 or VT1-00. Ceramic diaphragm is made of alumina and zirconia. The separating membrane is made of chemically resistant materials, such as fluoroplastic, and can have any shape and seal, acting as a nipple. The collector sleeve of the electrolyzer is also made of chemically resistant materials and has at least 3 connecting sockets.

Достоинством данной системы является, помимо перечисленных, препятствование работы ячейки без жидкости внутри анодной камеры, так как разделительная мембрана не имеет герметичного соединения и позволяет воде проникнуть внутрь анодной камеры и предотвратить работу недозаполненной ячейки.The advantage of this system is, in addition to the above, the obstruction of the cell without liquid inside the anode chamber, since the separation membrane does not have a sealed connection and allows water to penetrate the inside of the anode chamber and prevent the operation of an unfilled cell.

Работу ячейки обеспечивает правильное гидравлическое присоединение в систему электролизной установки.The operation of the cell is ensured by the correct hydraulic connection to the electrolysis system.

Для работы системы требуются раствор хлорида натрия, водопроводная вода и электроэнергия.The system requires a solution of sodium chloride, tap water and electricity.

Вода проходит через внутреннюю полость внутреннего электрода (катода), охлаждая его, затем, пройдя через устройство ввода, которое создает разряжение в катодной камере ячейки, подтягивая католит из катодной камеры, а на его место поступает раствор электролита из емкости. Скорость подачи раствора хлорида натрия контролирует регулирующий кран, ограничивая чрезмерное расходование электролита. Католит, растворившись в протекающей воде, повышает ее pH, что подготавливает воду к лучшему растворению в ней продуктов анодной реакции.Water passes through the internal cavity of the internal electrode (cathode), cooling it, then passing through the input device, which creates a vacuum in the cathode chamber of the cell, pulling the catholyte from the cathode chamber, and the electrolyte solution from the tank comes in its place. The feed rate of the sodium chloride solution is controlled by a control valve, limiting excessive electrolyte consumption. The catholyte, having dissolved in the flowing water, increases its pH, which prepares the water for better dissolution of the products of the anodic reaction in it.

Далее смесь воды и католита поступает по касательной в верхнее пространство анодной камеры между разделительной мембраной и верхней частью коллекторной втулки, омывая разделительную мембрану и унося с собой продукты электролиза.Then the mixture of water and catholyte enters tangentially into the upper space of the anode chamber between the separation membrane and the upper part of the collector sleeve, washing the separation membrane and taking away electrolysis products.

Таким образом, на выходе из анодной камеры получается раствор анолита в смеси католита с водой (РАСКат).Thus, at the exit from the anode chamber, a solution of anolyte in a mixture of catholyte with water (RASKat) is obtained.

Поскольку католит преимущественно состоит из раствора гидрооксида натрия, а основными компонентами анолита являются хлорноватистая кислота, гипохлорит ион, атомарный хлор, диоксид хлора, при смешении этих растворов в большом количестве воды pH готового продукта (РАСКат) стремится к нейтральному значению.Since the catholyte mainly consists of a solution of sodium hydroxide, and the main components of the anolyte are hypochlorous acid, hypochlorite ion, atomic chlorine, chlorine dioxide, when these solutions are mixed in a large amount of water, the pH of the finished product (RASCat) tends to a neutral value.

Преимущество данной схемыThe advantage of this scheme

1. Охлаждение ячейки в процессе электролиза.1. Cell cooling during electrolysis.

2. Преимущественное образование хлорноватистой кислоты на аноде, что значительно улучшает дезинфицирующие свойства (РАСКат).2. The predominant formation of hypochlorous acid at the anode, which significantly improves the disinfectant properties (RASKat).

3. Поддержание низкого значения pH в анодной камере, что значительно увеличивает срок службы анодного покрытия.3. Maintaining a low pH in the anode chamber, which significantly increases the service life of the anode coating.

Изобретение позволяет обеспечить возможность увеличения производительности электролизных систем по степени конверсии исходного электролита в процессах, связанных с получением продуктов анодных реакций на месте их применения, таких как станции водоподготовки и очистки сточных вод, плавательные бассейны, градирни систем охлаждения оборотных вод промышленных предприятий, обработка нефти и газа, пищевая промышленность, медицина, сельское хозяйство.EFFECT: invention makes it possible to increase the productivity of electrolysis systems by the degree of conversion of the initial electrolyte in processes related to the production of anode reaction products at the place of their application, such as water treatment and wastewater treatment plants, swimming pools, cooling towers for industrial water recycling cooling systems, oil processing and gas, food industry, medicine, agriculture.

Claims (1)

Электрохимическая ячейка для обработки растворов электролитов, содержащая размещенные в корпусе коаксиально расположенные трубчатые электроды, между анодом и катодом размещена трубчатой формы керамическая диафрагма для образования анодной и катодной камер, а также устройства подачи воды и солевого раствора и вывода их смеси, отличающаяся тем, что она снабжена разделительной мембраной, вставленной в верхней части анодной камеры для отвода из полости перед анодом продуктов анодной обработки и исключения проникновения воды, подаваемой в полость над этой мембраной. An electrochemical cell for processing electrolyte solutions, containing coaxially located tubular electrodes placed in a housing, a ceramic diaphragm is placed between the anode and cathode to form the anode and cathode chambers, as well as a device for supplying water and saline solution and withdrawing their mixture, characterized in that it equipped with a separation membrane inserted in the upper part of the anode chamber for removal from the cavity in front of the anode of the products of the anode treatment and to prevent the penetration of water supplied into the cavity above this membrane.