专利名称：清除水中含氟杂质的电解槽的制作方法
技术领域：
本发明涉及净化天然水和污水的领域，特别是关于带有整体电极及颗粒体电极的膜片型电化学装置。更确切地说是关于清除水中含氟杂质的电解槽。
本发明可用于化学、电化学、机械制造、动力技术、食品以及其他工业部门水的净化，首先清除水中的氟化物以及重金属的氟化物和离子，及/或易弥散的悬浮有机物及/或矿物质。它们通过吸附在电化学反应产物上而同时存在于溶液(水)中。利用该电解槽能得到吸附有氟化物，重金属，碱金属，黑色金属的离子，石油产品以及其他易于弥散的物质等易于排除的电化学反应产物。
人们已知在液体介质中清除杂质的电介槽(SU.A.966027)包括一个毂体，它由一个半渗透电解膜片分为两个室-阳极室，它提供在电化学反应中不溶解的电极，以及阴极室，室中的电极由金属或合金制成，例如铝或杜拉铝，它们具有在碱中化学溶解，生成凝结物的作用。
该电解槽能清除水中含氟的杂质，但在阳极和阴极上电极反应产物的利用效率很低。由于阳极采用在电化学反应中不溶解的物质制成，易吸附氟化物或其它杂质的阳极在电化学溶解作用下的产物将不会引入要加工的水中。阴极在已往的电解槽中由化学上溶解于碱的含铝金属(合金)制成，因此在电解槽中，为了净化含氟的水，在阴极产生的电极反应的产物，特别是氢氧基群OH-不能有效地利用。这些氢氧基群在某一浓度下便提供生成镁离子水化物(Mg(OH)2)的条件，其碎片很容易吸附氟化物。此外，整体电极(阴极)的铝表面在碱溶液中溶解时，形成一层胶化的凝结物，于是化学溶解作用的产物使电极(阴极)表面产生屏蔽作用，它使得电化学反应产生的OH-离子的速度，镁的水化物的浓度以及生成凝结物的阴极溶解作用等降低，从而提高电解槽的电压，降低净化的程度。
已经清除水中含氟杂质的电解槽(SU.A.1189811)包括一个毂体，半渗透介电质的膜片将其分成两个室-阳极室，室内有整体电极，由在电化学反应中不溶解的材料制成，以及颗粒填料，由电化学反应时能溶解的物质的微粒组成，它们与电源的正极相连。阴极室，室内有整体电极，由在电化学反应中不溶解的物质制成，它与电源的负极相连。毂体还包括供料管和净化水的排水管，它们与阴极室相通。同时，整体电极可以用在化学反应中不溶于碱溶液的材料，例如钢的薄片制成，或者用在化学反应中溶于碱溶液的物质，例如铝(杜拉铝)薄片或棒制成。
但是，阴极室内用在化学反应中不溶于碱溶液的材料做电极时，同时存在于溶液(水)中的氟化物或重金属的氟化物和离子，和/或易弥散的悬浮有机物及/或矿物质等等，其排除仅仅是通过阳极室内电极反应的产物来实现的(颗粒填料在电化学溶解作用中的产物)。在电化学反应过程中，与电源的负极相连的电极(阴极)上的产物在清除水中氟化物的过程中不能利用，这导致电解消耗的增加和含氟水的净化装置尺寸的加大。
用在化学反应中能溶解于碱溶液的材料制成阴极室内的整体电极时，其表面被溶解作用的产物所覆盖，这导致电解槽的电压增大及连接到电源负极的电极钝化。当电极在溶液(加工的水)中钝化时，OH-离子的引入便终止了，也就是分解水，生成碱的电化学反应终止了。这导致阳极室中颗粒填料电化学的溶解过程的终止(在阳极室内碱和填料的溶解作用的产物具有相当的量)和水的净化过程的终止。
本发明的任务是制造一个清除水中含氟杂质的电解槽，其电极与电源的负极相连，电解槽有阴极室。这种结构能最大限度地利用电极反应在该电极上的产物，从而有效地排除氟化物，或重金属的氟化物和离子，和/或易弥散的悬浮有机物和/或矿物质，它们都同时存在于溶液(水)中。与此同时，电能消耗小，电解槽的尺寸小。
提出的这个任务可以这样解决电解槽的毂体由半渗透电解质的膜片将其分成两个室-阳极室，室内有整体电极，由在电化学反应中不溶解的材料制成，以及颗粒的导电填料，由电化学反应时能溶解的物质的微粒组成。电极与电源的正极相连。阴极室，室内有整体电极，由在电化学反应中不溶解的物质制成，它与电源的负极相连。毂体还包括供料管和净化水的排水管，它们与阴极室相连通。本发明在阴极室内还放有颗粒填料，它们由含铝物质的微粒组成。
为了强化利用阴极室内反应产物的过程，在毂体体壁和整体电极间放适量的颗粒填料。同时，整体电极本身为穿孔的扁板，其与膜片间有一个夹角，使得在阴极室内膜片和电极之间的距离沿供料管到排水管的方向增加。
需要在阴极室中强化物质交换过程时，在室中装有回收管，它们与该室内不同方向的薄片状电极构成的腔体相连通。
利用本发明的电解槽清除含氟杂质可保证最大限度地利用在电解过程中阴极上的反应产物，从而促使从要净化的液体(水)中，有效地排出氟化物，或重金属的氟化物和离子，和/或易弥散的悬浮有机物及/或矿物等，它们都同时存在于溶液中。与此同时，最少地消耗电能和有最小的电解槽尺寸，并且能提高电解槽的生产量。
下面进一步阐明本发明的实施方案和说明附图。
图1表示根据本发明从水中清除含氟杂质的园柱形电解槽的纵向剖面图。
图2表示图1中截Ⅱ-Ⅱ的剖视图。
图3表示根据本发明从水中清除含氟杂质的电解池组的部分纵向剖面图。电解池组放在矩形的毂体内。
图4表示根据本发明毂体为园柱体的电解池组的部分纵向剖面图，毂体上装有旋转装置。
图5表示根据本发明毂体为园柱型的电解槽的纵向剖面图。电解槽中装有旋转毂体的装置。
图1、2中清除水中含氟杂质的电解槽包括一垂直安装的八面形毂体1，它由解电材料，例如乙烯基或导电材料例如钢制成。用导电材料时要衬以介电材料，例如乙烯基薄片。在毂体1中的半渗透介电膜片2将其分为阳极室3和阴极室4，该膜片与毂体同轴。膜片2可用氯纶织物，橡胶或其他多孔介电材料制成。阳极室3在毂体的中部，而阴极室4在其周边部分。阳极室3中有整体电极5，由在电化学反应中不溶解的材料，例如石墨制成。电极5为杆状，其对称轴与毂体1的对称轴相同。电极5与电源的正极相连(图中未表示出电源)。在阳极室3中也放有颗粒填料6，它们由在电化学反应中可溶解的材料的微粒组成，如用生产中的废铝渣和废钢渣的混合物。填料6与电极5直接接触，它充在膜片2所限制的空间内。阴极室4中有整体电极7，它是由化学上不溶于碱溶液的材料例如钢制成的。电极7为一有孔的薄片，它是截八面角锥体的边，其与膜片2和毂体1壁之间有一个角度。电极7与电源的负极相连。毂体1中还装有供料管8和净化水的排水管9，它们分别装在毂体1的下部和上部，并与阴极室4相通。此外，在阴极室4中，在毂体1的体壁和电极7之间有颗粒的填料10，它们由含铝物质的微粒组成。例如可采用生产中的废铝渣或废铝的氧化物微颗。膜片2和电极7间的距离沿供料管8到从阴极室4引出的排水管的方向渐增。阴极室4中装有呈C状的回收管，它与该室4中由不同方向的电极7所构成的腔体相通。
图3所示的电解槽方案是清除水中含氟杂质的电解池组。与图1及2不同，毂体1′是矩形池，由介电材料例如乙烯片或氟片制成，也可用导电材料，如不锈钢，但在内壁上要砌以介电材料，例如聚乙烯薄膜和乙烯基薄片，或在毂体1′的壁上用胶粘上橡皮。毂体1′由半渗透介电膜片2将其在横向分为阳极电池组室3和阴极电池组室4。膜片2与毂体1′的侧壁间有一个角度。膜片2可用例如氯纶织物，橡皮，薄陶瓷片或多孔的塑料薄片等制成。阳极室3至少包括一对倾斜的膜片2和由毂体1′的纵向体壁所限制的空间。每个室最少有一电极5′，它是用在电化学上不溶解的材料，例如不锈钢，石墨或铅制成。每个电极5′均为扁板状，它们垂直地装在毂体1′底部相应的阳极室的对称平面上。电极5′与电源的正极相连(电源在图中未表示出来)。在阳室3中也放有颗粒的填料6，它们由电化学反应的可溶物质，例如生产中的废铝渣和废钢渣的混合物制成。填料6直接与电极5′及膜片2接触。
阴极室4是毂体1′的纵向体壁及一对膜片2所限的空间，或者是(两个边上的阴极室4)膜片2及毂体1′横向体壁所限的空间。每个阴极室4中有一个由化学上不溶于碱溶液的物质，例如钢或不锈钢制成的整体电极7。电极7是带孔的扁板，垂直地装在毂体1′的底部，与倾斜的膜片2间有一个角度。
毂体1′的供料管8及排水管9相应地装在毂体1′的下部和上部。每对管8及管9与相应的室4相通。
每个倾斜的膜片2及靠近它的电极7之间的距离在沿毂体1′从下部到上部的方向，沿供料管8到净化水的排水管9的方向逐渐增加。电极7与电源的负极相连。
此外，在阴极室4中，在毂体1′的纵向体壁，电极7及毂体横向体壁或另一个电极7所限制的空间内充以颗粒状的填料10，它们采用含铝的物质如铝屑和/或废的铝的氧化物。
该电解槽的方案能最大限度地简化各部分的结构，并有可能增加加工水的状态数(在仪器上加不同水力负载，用串联或并联的仪器来加工水等等)。
根据本发明在图4中所示的电解槽为一介电池的池组，它放置在用介电材料，例如氟片制成的园柱形毂体1″中。垂直于毂体对称纵轴的园锥体膜片2′将其分为阳极室3和阴极室4。
阳极室和阴极室3、4交替地放置在毂体1″的对称轴方向。每个阳极室内有一个整体电极5″，由在电化学反应中不溶解的物质，例如不锈钢制成，它与电源的正极相连，系园盘状，放在毂体1″的垂直轴方向。在每个阴极室4中也有两个园盘形的整体电极7′，它们与电源的负极相连。在电极间的空间充以含铝的颗粒填料10，例如化学工厂的含铝的氧化物的废料。毂体1″内有供水管8，它是带孔的输送管，其对称轴与毂体1″的对称轴一致，但孔口在阴极室4内。排水管9安在毂体1″的园柱状表面的侧旁处，与阴极室4相连。与图4所示的电解槽不同，该电解槽有一个附加的装置12，它的作用是使毂体1″绕其对称轴旋转。电解槽本身是一个槽池，放在辅助的矩形毂体13内。毂体13有一公共的净水排水管14。装置12可为一电动机-减速器，它固定在辅助的毂体13上，与供料管8连接。装置12也可是一冲水轮，其旋转轴与毂体1″的旋转轴一致。它紧固在供水管上电解池组中加工的水充在毂体1′及辅助毂体13′间的空间内。此外，在毂体1″的侧表面有装料-卸料的孔，它使3、4室充以颗粒装料6、10(孔在图中未表示出来)。在辅助毂体13与供水管8的连接处有压垫(压垫也未在图中表示出来)。
图5所示的电解槽包括一水平安装的园柱形毂体1″，由介电质如乙烯片或钢制成。采用钢时，内壁砌有电介质。毂体1″被半渗透的介电膜片2″构成的园锥体分开。膜片的对称轴与毂体1″的对称轴一致。膜片2″由防水织物制成，它固定在介电质的构架上。阳极室3在毂体1″的中部，阴极室4在其周边。阳极室3中有整体电极5，由电化学反应时不溶解的材料，例如不锈钢制成。电极5是杆状。其对称轴与毂体1″的对称轴一致，它通过滑动的接触与电源的正极相连。(电极的连接接触和电源在图中未表示出来)。
阳极室3中也充有颗粒装料6，颗粒装料可采用电化学反应时能溶解的物质如铸铁渣和/或铝屑，充在由膜片2″限制的空间内，在溶解过程中周期性地通过加料孔加料(加料孔在图上未表示出来)。阴极室4内有整体电极7″，是带孔的园柱体，可采用钢管。电极的对称轴与毂体1″的对称轴一致。电极7″藉助滑动接触与电源的负极相连(在图上未将接触表示出来)。毂体1″的侧面有供料管8，出水管9，安装在毂体1″的端壁上。8及9与阴极室4相通。阴极室4中在毂体1″的内壁和电极7″的空间内充有颗粒装料10，它们是含铝物质的微粒，可采用生产上的废料如铝的氧化物的渣屑或铝的渣屑。电极7″及膜片2″安装如下它们的对称轴一致，在膜片2″及电极7″间的距离在沿供料管8到自阴极室4引出的排水管9的方向渐增。此外，阴极室4中有ㄇ形的回收管11，它与阴极室内由不同方向的电极7″所构成的腔体相通。该电解槽也有使毂体1″绕其对称轴旋转的装置12和矩形槽池的辅助毂体13，以及净化水的公用排出管14和待净化的水的公用供料管15。装置12固定在辅助毂体13上，可以是一个电动机-减速器，它的出口轴与毂体1″的轴相连。电极5可以实现这个轴的功能。装置12也可以是一水冲轮，它的旋转轴与毂体1′的旋转轴一致。水由公用供料管15引入到毂体1″和辅助毂体13之间的空间，公用供料管15安在毂体13的上部。在毂体13及电极5交叉处有压垫，它未在图上表示出来。电极5有毂体1″旋转轴的附加功能。
图1及2所示的电解槽工作如下含有氟化物，或重金属的氟化物和离子和/或悬浮的易弥散矿物质或有机物的水通过供料管8引入进行净化。水装在阴极室4中，通过膜片2上的小孔流到阳极室3。将电极5和7分别接到电源的正极和负极，通电后进行处理的水中便增添了在电解槽中电极反应的产物，也就是在电化学反应中能溶解的颗粒装料6的离子，例如铝和镁的离子以及H+及OH-离子。加工的水从膜片2上的小孔流入阳极室3，于是在该室得到装料6在正极溶解的产物。由于其转化为氢氧基并与水流混合，产物便进行凝结。形成絮片是最佳的混合状态。供水管8和排水管9分别装在电解槽毂体1的下部和上部。由于沿供水管8到排出管9的方向膜片2和电极7之间的距离是逐渐增加的，因此在阴极室4中水流的速度逐渐减慢，从而始终保持最佳状态。电极7与电源的负极相连。由于电极7是合成的，即由化学上不溶于碱溶液的材料及化学上溶于碱溶液的颗粒装料10所组成，从水中清除氟化物的净化效率很高。这样可以最佳地在电极7上进行电化学反应来得到碱(OH)-，并且有效地利用后者溶解颗粒装料10，它们由含铝物的微粒组成。装料10溶解于加工的水中时，在得到的凝结物之外，用电化学的方法再加一些能有效清除水中氟化物的含铝凝结剂。此外，当水分子在化学反应中不溶解的电极7上放电时，OH-离子的浓度能达到使镁离子(Mg(OH2))沉淀的量。镁对除去水中的氟化物同样是有效的凝结剂。当充料10及6的化学溶解产物在阴极室4中混合时，该产物经回收管11进行循环，这就保证了当水引出电解槽时，氟化物能有效的被吸附，大颗粒易沉淀的薄片能有效的形成。水在回收管11中循环也保证了最佳充料10的溶解条件(OH-离子的供给和充料10的化学溶解产物的排除)，并能防止充料10的孔隙堵塞。
在净化未经任何处理，具有碱性反应(PH10…12)的含氟的水时，有可能在不对电极5和7供电，或仅仅短时间供电，在不大的范围内修正Eh及PH值的情况下，有效地利用电解槽及借助电解气体使充料6和10再生。
图3所示的电解槽与图1、2表示的电解槽工作情况相似，只是水的净化可以是并联的方式和串联的方式进行，例如先在阴极室4，后在阳极室3中进行，或者反过来。也可以“第一阶段”的处理在阴(阳)极室4(3)进行，“第二阶段”在阴(阳)极室4(3)进行等等。因为图3所示的电解槽是电解池组，因此利用后者时，加工水的方案随阴极室4和阳极室3的数目增加而增加，这样便可以在水中清除不同浓度的氟化物和/或其他沾污水的成分。
图4所示的电解槽方案其工作情况与图3表示的电解槽相似，只是在电解槽中水的处理是在“并联状态”下进行的，也就是将要处理的水分成若干路，流入组成整体电解池组的各区。电解池放在旋转的毂体1″内。
同时，加工的水从各个排水管9引出，然后收集到辅助毂体13的空间中去。在辅助毂体13中，藉助毂体1″的旋转对有凝结剂的加工水进行附加的混合，并形成大颗粒的，易沉淀的絮片，絮片上吸附有氟化物和其他沾污水的成份。在附加混合以后，水沿管14流向固相及液相的分离器(在图中未表示出来)。
电解池组毂体1″的旋转是藉助装置12来实现的。若该装置是水冲轮的形式，则利用供水的能量使其旋转。毂体1″的旋转也强化充料10和6的化学溶解过程，特别是加工悬浮物含量大的水时。这种电解池在电极5和7不通电的情况下，即仅仅依靠阴极室4内颗粒充料10的化学溶解作及毂体1″旋转时充料10和6的机械溶解作用(磨碎)也能保证工作。此外，毂体1″的旋转可以保证电极5″和7″的再生(活化)过程，这个过程是依靠充料10和6使其假液化加工实现的。毂体1″的旋转还可以保证得到高分散度的凝结物，例如Al(OH)3，它很容易在其表面吸附氟化物。在该方案中，毂体1″的旋转轴在垂直于电极7″的平面内。
图5所示的电解槽其工作方式与图4所示的电解槽相似，只是毂体1″的旋转轴在与电极7″和5的平行面内。此外供料和排水是借助公用供料管15和排水管14实现的，它们与毂体13相通。加工水的过程可以在静止的条件下进行从而简化操作，仅仅在充料6和10，电极5″和7″以及膜片2″再生时才短时间地旋转毂体1″。
根据本发明，在电解槽中，减弱水的氟含量过程是自动调节的，这样可以保证电解槽在净化水的工艺中功能和使用的可靠性，如工业企业中用的流动水，在保证用户提出的质量要求上要有很高的可靠性。这些电解槽也适用于调节饮用水，局部调节离子-分子和胶质体的组份，调节媒质的活性反应值(PH)，氧化-还原势(Eh)以及缓冲性质。同时，通过有目的地选择颗粒充料6、10和/或作用在加工水上的电作用强度可以很容易地安排净化过程，这对灵活多变的生产工艺也是非常重要的。
权利要求
1.清除水中含氟杂质的电解槽包括毂体(1)，半渗透的介电膜片(2)将其分为阳极室(3)和阴极室(4)，在阳极室中有整体电极5，由电化学反应时不溶解的物质及颗粒导电充料6组成，充料采用电化学反应中能溶解的材料的微粒，电极5与电源的正极相连，在阴极室中有整体电极7，由电化学反应时不溶介的材料制成。电极与电源的负极相连，毂体还包括供水管和净化处理后的排水管(8、9)，它们与阴极室(4)相通，在阴极室(4)中还放有含铝材料的微粒充料(10)。
2.根据权利要求1中所述电解槽的不同之处在于阴极室(4)中的颗粒充料(10)放在毂体(1)的体壁和电极(5)之间，电极与带孔的薄片，其与半渗透膜片(2)间有一个夹角，于是膜片(2)和电极(5)间的距离在沿供水管和从阴极室(4)引出的排水管(9)的方向逐渐增加。
3.根据权利要求2中所述电解槽的不同之处在于阴极室(4)中装有回收管(11)，其与该室(4)中不同方向的薄片电极(5)构成的腔体相通。
全文摘要
电解槽包括带有供料管和排水管(8、9)的毂体。膜片(2)将其分为阳极室(3)和阴极室(4)。在阳极室中有整体电极(5)及颗粒的导电装料(6)，它们是在电化学反应中可溶解的材料的微粒。在阴极室(4)中有薄片的整体电极7及颗粒充料(10)，它们是含铝物的微粒。充料放在阴极室(4)中电极(7)和毂体1的体壁之间。
文档编号C25B9/00GK1046724SQ89102990
公开日1990年11月7日 申请日期1989年4月28日 优先权日1989年4月28日
发明者弗拉蒂米尔·米克哈劳维克·罗戈文, 尼克拉·斯特帕诺维克·库里尤克, 弗拉蒂米尔·瑙莫维克·阿诺波尔斯克, 弗拉蒂米尔·阿莱克斯安德劳维克, 艾戈·维克拉维克·莫斯卡莱维 申请人:乌克兰水工程设备研究所