Электролизер для получения озона из водных растворов

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ(71) Заявители Филипенко Владимир Иванович Баньковский Дмитрий Анатольевич Дроздович Валерий Брониславович(72) Автор Дроздович Валерий Брониславович(73) Патентообладатели Филипенко Владимир Иванович Баньковский Дмитрий Анатольевич Дроздович Валерий Брониславович(57) 1. Электролизер для получения озона из водных растворов, включающий анод с электрокаталитическим покрытием, катод, анодные и катодные камеры, между которыми размещена разделительная мембрана, токоподводы, отличающийся тем, что выполнен в виде герметичной фильтр-прессной конструкции, в которой два анода, катод, две разделительные мембраны расположены плоскопараллельно, причем разделительные мембраны выполнены протоно-ионными с высокой ионной проводимостью, а тыльная сторона анодов снабжена проточными камерами охлаждения. 2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что аноды выполнены из беспористого модифицированного диоксида свинца, нанесенного на подложку из беспористого графита. 3. Электролизер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что соотношение рабочих поверхностей каждого анода и катода составляет 11.(56) 1.2102311, МПК С 01 В 13/11, 1998. 2. Заявка 1111095 ЕПВ, МПК 7 С 25 В 9/00, 2001. 3.6787020, МПК С 02 1/461, 2004 (прототип). Полезная модель относится к устройствам, используемым для электрохимического получения озоно-кислородной смеси для комплексной обработки природных и сточных вод, обеспечивающей одновременно их очистку, обеззараживание, обезвреживание и дезодорацию. Известно устройство 1, представляющее собой индуктор озона, состоящее из диэлектрических пластин, между которыми размещен токопроводящий материал либо нанесен на поверхность диэлектрика слой проводящего материала, при этом токопроводящий слой подключен к источнику переменного высоковольтного тока. Индуктор помещен внутрь цилиндрического корпуса, на котором размещена обмотка, подключенная к регулируемому источнику постоянного тока. Устройство работает следующим образом. При включении источника тока между диэлектрическими пластинами происходит образование озона за счет разрядных ионизационных процессов, при этом величина концентрации озона определяется предельно допустимым высоковольтным напряжением. Одновременно обмотка цилиндрической катушки включается в источник постоянного тока, вследствие чего внутри катушки создаются силы Лоренца. Под действием сил Лоренца ионизированные частицы воздушной среды, включая озон, перемещаются к внутренней стороне корпуса, вследствие чего увеличивается скорость образования озона за счет притока воздушной среды, при этом оптимальные значения устанавливаются изменением напряженности магнитного поля. Недостатками указанного устройства являются зависимость получения озона в озоновоздушной среде от характеристик обрабатываемого воздуха (влажности, давления,температуры и т.д.), что не позволяет иметь высокую надежность работы озонатора за счет стабилизации концентрации озона, низкая производительность, что не позволяет использовать его во многих производственных технологических процессах, сложность конструктивного исполнения, низкий ресурс работы устройства из-за высокого значения электрического поля, низкая эффективность наработки озона в разряде, ограниченном емкостью диэлектрика, и низкая надежность диэлектрической вставки из-за высокой эрозии диэлектрика под действием электрических разрядов. Известен 2 мембранный электролизер для получения озона из воды. Ячейка электролизера представляет собой мембрану из твердого полимерного электролита с примыкающими к ней электродными слоями (катод - , анод - РО 2). Разработана новая технология изготовления РО 2-покрытий, при которой сначала формируется лист РО 2 толщиной 300 мкм путем полива дисперсии порошка РО 2 и фторопласта на промежуточную подложку и испарения дисперсной среды (этанол, изопропанол). При этом, все операции проводятся при температуре, не превышающей 100 С. К недостаткам данного электролизера относится использованиедля изготовления катода, сложность в изготовлении анода и его низкая электропроводность и электрокаталитическая активность ввиду присутствия инертной фазы - фторопласта, трудность в обеспечении токоподвода, снижение выхода по току озона при разогреве непосредственно анода и электролита за счет джоулева тепла, отсутствие возможности поддержания постоянной температуры. Наиболее близким к предлагаемому является устройство 3, в котором озон генерируется на поверхности электрода электрохимической ячейки и растворяется в протекающей в контакте с электродом исходной воде. Электрохимическая ячейка имеет проточные анодные и катодные каналы, разделенные мембраной, выполненной из твердого электро 2 37262007.08.30 лита. Напряжение электролиза составляет 10 В, ток 10 А, электроды выполнены из благородных металлов, предусмотрен реверс полярности. Недостатками данного электролизера являются высокое напряжение электролиза, обусловленное низкой электропроводностью исходной воды, разделительной твердоэлектролитной мембраны, снижение выхода по току озона при разогреве непосредственно анода за счет джоулева тепла, отсутствие возможности поддержания постоянной температуры. Кроме того, реверсирование токовой нагрузки приводит к перезарядке электродов, емкостным потерям, снижению выхода по току озона ввиду восстановления остаточных количеств озона, адсорбированного на поверхности электрода и содержащегося в прианодной области, высокая стоимость электродных материалов на основе драгметаллов. Анодный выход по току озона без поддержания температуры ниже 20 С для различных электродных материалов не превышает 4-8 . Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности процесса получения озона электролизом водных растворов. Поставленная задача достигается тем, что электролизер для получения озона из водных растворов, включающий анод с электрокаталитическим покрытием, катод, анодные и катодные камеры, между которыми размещена разделительная мембрана, токоподводы,выполнен в виде герметичной фильтр-прессной конструкции, в которой два анода, катод,две разделительные мембраны расположены плоскопараллельно, причем разделительные мембраны выполнены протоно-ионными с высокой ионной проводимостью, а тыльная сторона анодов снабжена проточными камерами охлаждения. В предпочтительном варианте предлагаемого электролизера аноды выполнены из беспористого модифицированного диоксида свинца, нанесенного на подложку из беспористого графита. Также предпочтительно, что соотношение рабочих поверхностей каждого анода и катода составляет 11. Технический результат при осуществлении предлагаемого электролизера заключается в снижении напряжения электролиза до 3,0 В и ниже за счет использовании электрокаталитически активного по отношению к синтезу озона охлаждаемого анода, протоноионной мембраны с высокой ионной проводимостью в увеличении выхода по току озона и его содержании в озоно-кислородной смеси за счет использования электрокаталитически активного анода и поддержания постоянной температуры непосредственно анода в получении озоно-кислородной смеси с избыточным давлением за счет герметичности фильтр-пресса в возможности регулирования производительности по озону в зависимости от токовой нагрузки и размера электродов. Изменение производительности по озону достигается путем увеличения размера электродов или количества анодных и катодных камер и, соответственно, токовой нагрузки. Сущность полезной модели поясняется чертежами. Фиг. 1 - электролизер, вид сверху. Фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1. Фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 1. Фиг. 4 - сечение В-В фиг. 1. Электролизер для получения озона из водных растворов (фиг. 1) содержит плоскопараллельно расположенные электроды - два анода 1 из беспористого модифицированного диоксида свинца, нанесенного на подложку из беспористого графита, например, марки МПГ и катод 2 с токоподводами (на чертеже не показаны). Предпочтительное соотношение рабочих площадей анодов 1 и катода 2 11. Между анодами 1 и катодом 2 расположены протоно-ионные мембраны 3, например,марки МФ-4 СК. Между анодами 1, катодом 2 и мембранами 3 расположены анодные камеры 4 и катодные камеры 5, образованные полипропиленовыми рамами 6 (фиг. 2, 3, 4). 3 37262007.08.30 Проточные камеры 7 охлаждения, расположенные между анодами 1 и стяжными плитами 8, выполненными из стальных пластин толщиной 2 мм из нержавеющей стали, также образованы полипропиленовыми рамами 6. Стяжка электродов, мембран, полипропиленовых рам выполнена при помощи стяжных плит 8 и стяжных болтов 9. Герметичность такого устройства, выполненного в виде фильтр-прессной конструкции, обеспечивают уплотнительные прокладки 10. Проточные камеры 7 охлаждения снабжены коллектором 11 (фиг. 2) подачи охлаждающей воды, соединяющим их и обеспечивающим равномерный проток охлаждающей воды. Коллектор 11 снабжен верхним и нижним штуцерами 12, 13 соответственно. Коллектор 14 (фиг. 3) для подачи электролита и отвода образующейся озоно-кислородной смеси соединяет анодные камеры 4 и снабжен верхним и нижним штуцерами 15, 16 соответственно. Коллектор 14 обеспечивает равномерное распределение электролита в анодных камерах 4 и отвод озоно-кислородной смеси через верхний штуцер 15. Коллектор 17 (фиг. 4) для подачи электролита и отвода образующегося водорода соединяет катодные камеры 5 и снабжен верхним и нижним штуцерами 18 и 19 соответственно. Коллектор 17 обеспечивает равномерное распределение электролита в катодных камерах 5 и отвод водорода через верхний штуцер 18. Устройство работает следующим образом. Электролит заливается в анодные и катодные камеры 4 и 5 через нижние штуцера 16 и 19 при помощи шлангов (на чертеже не показаны), соединенных с емкостью, заполненной электролитом, находящейся на уровне верхней границы катодных и анодных камер. После заполнения электролизера электролитом в проточные камеры 7 охлаждения через нижний штуцер 13 подается охлаждающая вода с температурой не выше 15 С. Расход охлаждающей воды определяется величиной токовой нагрузки. Далее на электроды подается токовая нагрузка в зависимости от размера, площади электродов. Работа электролизера осуществляется в гальваностатическом режиме. Токовая нагрузка и напряжение на электролизере контролируются показывающими приборами на выпрямительном агрегате. Сущность протекающих физико-химических процессов при электролизе заключается в том, что на анодах 1 синтезируется озоно-кислородная смесь, а на катоде 2 идет выделение водорода. Эффективность электролизера определяется напряжением электролиза, выходом по току озона, содержанием озона в озоно-кислородной смеси, удельными затратами электроэнергии. В таблице приведены сравнительные характеристики прототипа и заявляемого устройства. Напряжение, В Выход по току озона,Содержание озона в озоно-кислородной смеси, об.Удельные энергозатраты, Вт-ч/г озона Расход охлаждающей воды, начальная температура 12 С, л/ч при получении 1 г. озона Избыточное давление озоно-кислородной смеси, МПа 37262007.08.30 Таким образом, данное техническое решение позволяет создать электролизер для получения концентрированной озоно-кислородной смеси с низкими энергозатратами, необходимой производительности по озону с избыточным давлением более 0,02 МПа,использовать непосредственно в системах водоподготовки с принудительной циркуляцией. Достоинством конструкции заявляемого электролизера является модульный принцип построения, что позволяет при необходимости оперативно увеличивать его мощность. Фиг. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5