清除水中含氟雜質的電解槽的製作方法

2023-09-20 12:42:30

專利名稱：清除水中含氟雜質的電解槽的製作方法
技術領域：
本發明涉及淨化天然水和汙水的領域，特別是關於帶有整體電極及顆粒體電極的膜片型電化學裝置。更確切地說是關於清除水中含氟雜質的電解槽。
本發明可用於化學、電化學、機械製造、動力技術、食品以及其他工業部門水的淨化，首先清除水中的氟化物以及重金屬的氟化物和離子，及/或易彌散的懸浮有機物及/或礦物質。它們通過吸附在電化學反應產物上而同時存在於溶液(水)中。利用該電解槽能得到吸附有氟化物，重金屬，鹼金屬，黑色金屬的離子，石油產品以及其他易於彌散的物質等易於排除的電化學反應產物。
人們已知在液體介質中清除雜質的電介槽(SU.A.966027)包括一個轂體，它由一個半滲透電解膜片分為兩個室-陽極室，它提供在電化學反應中不溶解的電極，以及陰極室，室中的電極由金屬或合金製成，例如鋁或杜拉鋁，它們具有在鹼中化學溶解，生成凝結物的作用。
該電解槽能清除水中含氟的雜質，但在陽極和陰極上電極反應產物的利用效率很低。由於陽極採用在電化學反應中不溶解的物質製成，易吸附氟化物或其它雜質的陽極在電化學溶解作用下的產物將不會引入要加工的水中。陰極在已往的電解槽中由化學上溶解於鹼的含鋁金屬(合金)製成，因此在電解槽中，為了淨化含氟的水，在陰極產生的電極反應的產物，特別是氫氧基群OH-不能有效地利用。這些氫氧基群在某一濃度下便提供生成鎂離子水化物(Mg(OH)2)的條件，其碎片很容易吸附氟化物。此外，整體電極(陰極)的鋁表面在鹼溶液中溶解時，形成一層膠化的凝結物，於是化學溶解作用的產物使電極(陰極)表面產生屏蔽作用，它使得電化學反應產生的OH-離子的速度，鎂的水化物的濃度以及生成凝結物的陰極溶解作用等降低，從而提高電解槽的電壓，降低淨化的程度。
已經清除水中含氟雜質的電解槽(SU.A.1189811)包括一個轂體，半滲透介電質的膜片將其分成兩個室-陽極室，室內有整體電極，由在電化學反應中不溶解的材料製成，以及顆粒填料，由電化學反應時能溶解的物質的微粒組成，它們與電源的正極相連。陰極室，室內有整體電極，由在電化學反應中不溶解的物質製成，它與電源的負極相連。轂體還包括供料管和淨化水的排水管，它們與陰極室相通。同時，整體電極可以用在化學反應中不溶於鹼溶液的材料，例如鋼的薄片製成，或者用在化學反應中溶於鹼溶液的物質，例如鋁(杜拉鋁)薄片或棒製成。
但是，陰極室內用在化學反應中不溶於鹼溶液的材料做電極時，同時存在於溶液(水)中的氟化物或重金屬的氟化物和離子，和/或易彌散的懸浮有機物及/或礦物質等等，其排除僅僅是通過陽極室內電極反應的產物來實現的(顆粒填料在電化學溶解作用中的產物)。在電化學反應過程中，與電源的負極相連的電極(陰極)上的產物在清除水中氟化物的過程中不能利用，這導致電解消耗的增加和含氟水的淨化裝置尺寸的加大。
用在化學反應中能溶解於鹼溶液的材料製成陰極室內的整體電極時，其表面被溶解作用的產物所覆蓋，這導致電解槽的電壓增大及連接到電源負極的電極鈍化。當電極在溶液(加工的水)中鈍化時，OH-離子的引入便終止了，也就是分解水，生成鹼的電化學反應終止了。這導致陽極室中顆粒填料電化學的溶解過程的終止(在陽極室內鹼和填料的溶解作用的產物具有相當的量)和水的淨化過程的終止。
本發明的任務是製造一個清除水中含氟雜質的電解槽，其電極與電源的負極相連，電解槽有陰極室。這種結構能最大限度地利用電極反應在該電極上的產物，從而有效地排除氟化物，或重金屬的氟化物和離子，和/或易彌散的懸浮有機物和/或礦物質，它們都同時存在於溶液(水)中。與此同時，電能消耗小，電解槽的尺寸小。
提出的這個任務可以這樣解決電解槽的轂體由半滲透電解質的膜片將其分成兩個室-陽極室，室內有整體電極，由在電化學反應中不溶解的材料製成，以及顆粒的導電填料，由電化學反應時能溶解的物質的微粒組成。電極與電源的正極相連。陰極室，室內有整體電極，由在電化學反應中不溶解的物質製成，它與電源的負極相連。轂體還包括供料管和淨化水的排水管，它們與陰極室相連通。本發明在陰極室內還放有顆粒填料，它們由含鋁物質的微粒組成。
為了強化利用陰極室內反應產物的過程，在轂體體壁和整體電極間放適量的顆粒填料。同時，整體電極本身為穿孔的扁板，其與膜片間有一個夾角，使得在陰極室內膜片和電極之間的距離沿供料管到排水管的方向增加。
需要在陰極室中強化物質交換過程時，在室中裝有回收管，它們與該室內不同方向的薄片狀電極構成的腔體相連通。
利用本發明的電解槽清除含氟雜質可保證最大限度地利用在電解過程中陰極上的反應產物，從而促使從要淨化的液體(水)中，有效地排出氟化物，或重金屬的氟化物和離子，和/或易彌散的懸浮有機物及/或礦物等，它們都同時存在於溶液中。與此同時，最少地消耗電能和有最小的電解槽尺寸，並且能提高電解槽的生產量。
下面進一步闡明本發明的實施方案和說明附圖。


圖1表示根據本發明從水中清除含氟雜質的園柱形電解槽的縱向剖面圖。
圖2表示圖1中截Ⅱ-Ⅱ的剖視圖。
圖3表示根據本發明從水中清除含氟雜質的電解池組的部分縱向剖面圖。電解池組放在矩形的轂體內。
圖4表示根據本發明轂體為園柱體的電解池組的部分縱向剖面圖，轂體上裝有旋轉裝置。
圖5表示根據本發明轂體為園柱型的電解槽的縱向剖面圖。電解槽中裝有旋轉轂體的裝置。
圖1、2中清除水中含氟雜質的電解槽包括一垂直安裝的八面形轂體1，它由解電材料，例如乙烯基或導電材料例如鋼製成。用導電材料時要襯以介電材料，例如乙烯基薄片。在轂體1中的半滲透介電膜片2將其分為陽極室3和陰極室4，該膜片與轂體同軸。膜片2可用氯綸織物，橡膠或其他多孔介電材料製成。陽極室3在轂體的中部，而陰極室4在其周邊部分。陽極室3中有整體電極5，由在電化學反應中不溶解的材料，例如石墨製成。電極5為杆狀，其對稱軸與轂體1的對稱軸相同。電極5與電源的正極相連(圖中未表示出電源)。在陽極室3中也放有顆粒填料6，它們由在電化學反應中可溶解的材料的微粒組成，如用生產中的廢鋁渣和廢鋼渣的混合物。填料6與電極5直接接觸，它充在膜片2所限制的空間內。陰極室4中有整體電極7，它是由化學上不溶於鹼溶液的材料例如鋼製成的。電極7為一有孔的薄片，它是截八面角錐體的邊，其與膜片2和轂體1壁之間有一個角度。電極7與電源的負極相連。轂體1中還裝有供料管8和淨化水的排水管9，它們分別裝在轂體1的下部和上部，並與陰極室4相通。此外，在陰極室4中，在轂體1的體壁和電極7之間有顆粒的填料10，它們由含鋁物質的微粒組成。例如可採用生產中的廢鋁渣或廢鋁的氧化物微顆。膜片2和電極7間的距離沿供料管8到從陰極室4引出的排水管的方向漸增。陰極室4中裝有呈C狀的回收管，它與該室4中由不同方向的電極7所構成的腔體相通。
圖3所示的電解槽方案是清除水中含氟雜質的電解池組。與圖1及2不同，轂體1′是矩形池，由介電材料例如乙烯片或氟片製成，也可用導電材料，如不鏽鋼，但在內壁上要砌以介電材料，例如聚乙烯薄膜和乙烯基薄片，或在轂體1′的壁上用膠粘上橡皮。轂體1′由半滲透介電膜片2將其在橫向分為陽極電池組室3和陰極電池組室4。膜片2與轂體1′的側壁間有一個角度。膜片2可用例如氯綸織物，橡皮，薄陶瓷片或多孔的塑料薄片等製成。陽極室3至少包括一對傾斜的膜片2和由轂體1′的縱向體壁所限制的空間。每個室最少有一電極5′，它是用在電化學上不溶解的材料，例如不鏽鋼，石墨或鉛製成。每個電極5′均為扁板狀，它們垂直地裝在轂體1′底部相應的陽極室的對稱平面上。電極5′與電源的正極相連(電源在圖中未表示出來)。在陽室3中也放有顆粒的填料6，它們由電化學反應的可溶物質，例如生產中的廢鋁渣和廢鋼渣的混合物製成。填料6直接與電極5′及膜片2接觸。
陰極室4是轂體1′的縱向體壁及一對膜片2所限的空間，或者是(兩個邊上的陰極室4)膜片2及轂體1′橫向體壁所限的空間。每個陰極室4中有一個由化學上不溶於鹼溶液的物質，例如鋼或不鏽鋼製成的整體電極7。電極7是帶孔的扁板，垂直地裝在轂體1′的底部，與傾斜的膜片2間有一個角度。
轂體1′的供料管8及排水管9相應地裝在轂體1′的下部和上部。每對管8及管9與相應的室4相通。
每個傾斜的膜片2及靠近它的電極7之間的距離在沿轂體1′從下部到上部的方向，沿供料管8到淨化水的排水管9的方向逐漸增加。電極7與電源的負極相連。
此外，在陰極室4中，在轂體1′的縱向體壁，電極7及轂體橫向體壁或另一個電極7所限制的空間內充以顆粒狀的填料10，它們採用含鋁的物質如鋁屑和/或廢的鋁的氧化物。
該電解槽的方案能最大限度地簡化各部分的結構，並有可能增加加工水的狀態數(在儀器上加不同水力負載，用串聯或並聯的儀器來加工水等等)。
根據本發明在圖4中所示的電解槽為一介電池的池組，它放置在用介電材料，例如氟片製成的園柱形轂體1″中。垂直於轂體對稱縱軸的園錐體膜片2′將其分為陽極室3和陰極室4。
陽極室和陰極室3、4交替地放置在轂體1″的對稱軸方向。每個陽極室內有一個整體電極5″，由在電化學反應中不溶解的物質，例如不鏽鋼製成，它與電源的正極相連，系園盤狀，放在轂體1″的垂直軸方向。在每個陰極室4中也有兩個園盤形的整體電極7′，它們與電源的負極相連。在電極間的空間充以含鋁的顆粒填料10，例如化學工廠的含鋁的氧化物的廢料。轂體1″內有供水管8，它是帶孔的輸送管，其對稱軸與轂體1″的對稱軸一致，但孔口在陰極室4內。排水管9安在轂體1″的園柱狀表面的側旁處，與陰極室4相連。與圖4所示的電解槽不同，該電解槽有一個附加的裝置12，它的作用是使轂體1″繞其對稱軸旋轉。電解槽本身是一個槽池，放在輔助的矩形轂體13內。轂體13有一公共的淨水排水管14。裝置12可為一電動機-減速器，它固定在輔助的轂體13上，與供料管8連接。裝置12也可是一衝水輪，其旋轉軸與轂體1″的旋轉軸一致。它緊固在供水管上電解池組中加工的水充在轂體1′及輔助轂體13′間的空間內。此外，在轂體1″的側表面有裝料-卸料的孔，它使3、4室充以顆粒裝料6、10(孔在圖中未表示出來)。在輔助轂體13與供水管8的連接處有壓墊(壓墊也未在圖中表示出來)。
圖5所示的電解槽包括一水平安裝的園柱形轂體1″，由介電質如乙烯片或鋼製成。採用鋼時，內壁砌有電介質。轂體1″被半滲透的介電膜片2″構成的園錐體分開。膜片的對稱軸與轂體1″的對稱軸一致。膜片2″由防水織物製成，它固定在介電質的構架上。陽極室3在轂體1″的中部，陰極室4在其周邊。陽極室3中有整體電極5，由電化學反應時不溶解的材料，例如不鏽鋼製成。電極5是杆狀。其對稱軸與轂體1″的對稱軸一致，它通過滑動的接觸與電源的正極相連。(電極的連接接觸和電源在圖中未表示出來)。
陽極室3中也充有顆粒裝料6，顆粒裝料可採用電化學反應時能溶解的物質如鑄鐵渣和/或鋁屑，充在由膜片2″限制的空間內，在溶解過程中周期性地通過加料孔加料(加料孔在圖上未表示出來)。陰極室4內有整體電極7″，是帶孔的園柱體，可採用鋼管。電極的對稱軸與轂體1″的對稱軸一致。電極7″藉助滑動接觸與電源的負極相連(在圖上未將接觸表示出來)。轂體1″的側面有供料管8，出水管9，安裝在轂體1″的端壁上。8及9與陰極室4相通。陰極室4中在轂體1″的內壁和電極7″的空間內充有顆粒裝料10，它們是含鋁物質的微粒，可採用生產上的廢料如鋁的氧化物的渣屑或鋁的渣屑。電極7″及膜片2″安裝如下它們的對稱軸一致，在膜片2″及電極7″間的距離在沿供料管8到自陰極室4引出的排水管9的方向漸增。此外，陰極室4中有ㄇ形的回收管11，它與陰極室內由不同方向的電極7″所構成的腔體相通。該電解槽也有使轂體1″繞其對稱軸旋轉的裝置12和矩形槽池的輔助轂體13，以及淨化水的公用排出管14和待淨化的水的公用供料管15。裝置12固定在輔助轂體13上，可以是一個電動機-減速器，它的出口軸與轂體1″的軸相連。電極5可以實現這個軸的功能。裝置12也可以是一水衝輪，它的旋轉軸與轂體1′的旋轉軸一致。水由公用供料管15引入到轂體1″和輔助轂體13之間的空間，公用供料管15安在轂體13的上部。在轂體13及電極5交叉處有壓墊，它未在圖上表示出來。電極5有轂體1″旋轉軸的附加功能。
圖1及2所示的電解槽工作如下含有氟化物，或重金屬的氟化物和離子和/或懸浮的易彌散礦物質或有機物的水通過供料管8引入進行淨化。水裝在陰極室4中，通過膜片2上的小孔流到陽極室3。將電極5和7分別接到電源的正極和負極，通電後進行處理的水中便增添了在電解槽中電極反應的產物，也就是在電化學反應中能溶解的顆粒裝料6的離子，例如鋁和鎂的離子以及H+及OH-離子。加工的水從膜片2上的小孔流入陽極室3，於是在該室得到裝料6在正極溶解的產物。由於其轉化為氫氧基並與水流混合，產物便進行凝結。形成絮片是最佳的混合狀態。供水管8和排水管9分別裝在電解槽轂體1的下部和上部。由於沿供水管8到排出管9的方向膜片2和電極7之間的距離是逐漸增加的，因此在陰極室4中水流的速度逐漸減慢，從而始終保持最佳狀態。電極7與電源的負極相連。由於電極7是合成的，即由化學上不溶於鹼溶液的材料及化學上溶於鹼溶液的顆粒裝料10所組成，從水中清除氟化物的淨化效率很高。這樣可以最佳地在電極7上進行電化學反應來得到鹼(OH)-，並且有效地利用後者溶解顆粒裝料10，它們由含鋁物的微粒組成。裝料10溶解於加工的水中時，在得到的凝結物之外，用電化學的方法再加一些能有效清除水中氟化物的含鋁凝結劑。此外，當水分子在化學反應中不溶解的電極7上放電時，OH-離子的濃度能達到使鎂離子(Mg(OH2))沉澱的量。鎂對除去水中的氟化物同樣是有效的凝結劑。當充料10及6的化學溶解產物在陰極室4中混合時，該產物經回收管11進行循環，這就保證了當水引出電解槽時，氟化物能有效的被吸附，大顆粒易沉澱的薄片能有效的形成。水在回收管11中循環也保證了最佳充料10的溶解條件(OH-離子的供給和充料10的化學溶解產物的排除)，並能防止充料10的孔隙堵塞。
在淨化未經任何處理，具有鹼性反應(PH10…12)的含氟的水時，有可能在不對電極5和7供電，或僅僅短時間供電，在不大的範圍內修正Eh及PH值的情況下，有效地利用電解槽及藉助電解氣體使充料6和10再生。
圖3所示的電解槽與圖1、2表示的電解槽工作情況相似，只是水的淨化可以是並聯的方式和串聯的方式進行，例如先在陰極室4，後在陽極室3中進行，或者反過來。也可以「第一階段」的處理在陰(陽)極室4(3)進行，「第二階段」在陰(陽)極室4(3)進行等等。因為圖3所示的電解槽是電解池組，因此利用後者時，加工水的方案隨陰極室4和陽極室3的數目增加而增加，這樣便可以在水中清除不同濃度的氟化物和/或其他沾汙水的成分。
圖4所示的電解槽方案其工作情況與圖3表示的電解槽相似，只是在電解槽中水的處理是在「並聯狀態」下進行的，也就是將要處理的水分成若干路，流入組成整體電解池組的各區。電解池放在旋轉的轂體1″內。
同時，加工的水從各個排水管9引出，然後收集到輔助轂體13的空間中去。在輔助轂體13中，藉助轂體1″的旋轉對有凝結劑的加工水進行附加的混合，並形成大顆粒的，易沉澱的絮片，絮片上吸附有氟化物和其他沾汙水的成份。在附加混合以後，水沿管14流向固相及液相的分離器(在圖中未表示出來)。
電解池組轂體1″的旋轉是藉助裝置12來實現的。若該裝置是水衝輪的形式，則利用供水的能量使其旋轉。轂體1″的旋轉也強化充料10和6的化學溶解過程，特別是加工懸浮物含量大的水時。這種電解池在電極5和7不通電的情況下，即僅僅依靠陰極室4內顆粒充料10的化學溶解作及轂體1″旋轉時充料10和6的機械溶解作用(磨碎)也能保證工作。此外，轂體1″的旋轉可以保證電極5″和7″的再生(活化)過程，這個過程是依靠充料10和6使其假液化加工實現的。轂體1″的旋轉還可以保證得到高分散度的凝結物，例如Al(OH)3，它很容易在其表面吸附氟化物。在該方案中，轂體1″的旋轉軸在垂直於電極7″的平面內。
圖5所示的電解槽其工作方式與圖4所示的電解槽相似，只是轂體1″的旋轉軸在與電極7″和5的平行面內。此外供料和排水是藉助公用供料管15和排水管14實現的，它們與轂體13相通。加工水的過程可以在靜止的條件下進行從而簡化操作，僅僅在充料6和10，電極5″和7″以及膜片2″再生時才短時間地旋轉轂體1″。
根據本發明，在電解槽中，減弱水的氟含量過程是自動調節的，這樣可以保證電解槽在淨化水的工藝中功能和使用的可靠性，如工業企業中用的流動水，在保證用戶提出的質量要求上要有很高的可靠性。這些電解槽也適用於調節飲用水，局部調節離子-分子和膠質體的組份，調節媒質的活性反應值(PH)，氧化-還原勢(Eh)以及緩衝性質。同時，通過有目的地選擇顆粒充料6、10和/或作用在加工水上的電作用強度可以很容易地安排淨化過程，這對靈活多變的生產工藝也是非常重要的。
權利要求
1.清除水中含氟雜質的電解槽包括轂體(1)，半滲透的介電膜片(2)將其分為陽極室(3)和陰極室(4)，在陽極室中有整體電極5，由電化學反應時不溶解的物質及顆粒導電充料6組成，充料採用電化學反應中能溶解的材料的微粒，電極5與電源的正極相連，在陰極室中有整體電極7，由電化學反應時不溶介的材料製成。電極與電源的負極相連，轂體還包括供水管和淨化處理後的排水管(8、9)，它們與陰極室(4)相通，在陰極室(4)中還放有含鋁材料的微粒充料(10)。
2.根據權利要求1中所述電解槽的不同之處在於陰極室(4)中的顆粒充料(10)放在轂體(1)的體壁和電極(5)之間，電極與帶孔的薄片，其與半滲透膜片(2)間有一個夾角，於是膜片(2)和電極(5)間的距離在沿供水管和從陰極室(4)引出的排水管(9)的方向逐漸增加。
3.根據權利要求2中所述電解槽的不同之處在於陰極室(4)中裝有回收管(11)，其與該室(4)中不同方向的薄片電極(5)構成的腔體相通。
全文摘要
電解槽包括帶有供料管和排水管(8、9)的轂體。膜片(2)將其分為陽極室(3)和陰極室(4)。在陽極室中有整體電極(5)及顆粒的導電裝料(6)，它們是在電化學反應中可溶解的材料的微粒。在陰極室(4)中有薄片的整體電極7及顆粒充料(10)，它們是含鋁物的微粒。充料放在陰極室(4)中電極(7)和轂體1的體壁之間。
文檔編號C25B9/00GK1046724SQ89102990
公開日1990年11月7日 申請日期1989年4月28日 優先權日1989年4月28日
發明者弗拉蒂米爾·米克哈勞維克·羅戈文, 尼克拉·斯特帕諾維克·庫裡尤克, 弗拉蒂米爾·瑙莫維克·阿諾波爾斯克, 弗拉蒂米爾·阿萊克斯安德勞維克, 艾戈·維克拉維克·莫斯卡萊維 申請人:烏克蘭水工程設備研究所