[RU]

Приведен способ деионизации воды с использованием емкостной деионизации, включающий повторение серии циклов, во время которых вода проходит по меньшей мере через одну пару противоположно заряженных электродов, и каждый цикл включает (i) стадию заряда; (ii) первую стадию закорачивания; (iii) стадию разряда, заключающуюся в обращении подаваемого на электроды заряда; и (iv) вторую стадию закорачивания; причем полярность заряда, подаваемого на каждый электрод каждой пары противоположно заряженных электродов на стадии заряда в данной серии повторяющихся циклов, обращается на стадии зарядки следующей сразу за этим серии повторяющихся циклов, при этом каждая такая серия включает от 10 до 20 циклов.

(57) Реферат / Формула:

Приведен способ деионизации воды с использованием емкостной деионизации, включающий повторение серии циклов, во время которых вода проходит по меньшей мере через одну пару противоположно заряженных электродов, и каждый цикл включает (i) стадию заряда; (ii) первую стадию закорачивания; (iii) стадию разряда, заключающуюся в обращении подаваемого на электроды заряда; и (iv) вторую стадию закорачивания; причем полярность заряда, подаваемого на каждый электрод каждой пары противоположно заряженных электродов на стадии заряда в данной серии повторяющихся циклов, обращается на стадии зарядки следующей сразу за этим серии повторяющихся циклов, при этом каждая такая серия включает от 10 до 20 циклов.

---

1412317
СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЕМКОСТНОЙ
ДЕИОНИЗАЦИИ
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается способа опреснения воды при помощи емкостной деионизации.
Уровень техники
Для очистки воды существуют различные технологии. Они включают ультрафиолетовые (UV) фильтры, применение химических средств очистки типа солей гипохлорита и мембранные методы фильтрации. Однако эти методы не обеспечивают деионизацию. Для деионизации предназначаются такие методы, как дистилляция, обратный осмос, емкостная деионизация и ионообменные смолы.
Деионизация применяется, когда вода содержит много растворенных твердых веществ, что зачастую указывают как показатель TDS (общее содержание растворенных твердых веществ). Водоочистители, которые деионизируют воду, обычно имеют заданный уровень снижения TDS, а это значит, что если снижение TDS будет ниже заданного уровня, то воду потреблять не разрешается. Для этого коммерческие водоочистители содержат встроенные датчики, подобные измерителям проводимости, для постоянного отслеживания уровня TDS на выходе. Заданный уровень обычно устанавливают, исходя из значения TDS поступающей воды, а также из предпочтительного вкуса питьевой воды.
В случае емкостной деионизации вода проходит через одну или несколько пар противоположно заряженных электродов и по мере ее прохождения находящиеся в ней ионы притягиваются к электродам и при этом адсорбируются на их поверхности, тем самым снижая TDS у поступающей воды. Адсорбция является поверхностным явлением, которое ограничивается доступной площадью поверхности электродов.
Для усиления адсорбции обычно используется ряд мер, которые включают, одно за другим: закорачивание электродов, обращение полярности и одну или несколько дополнительных стадий закорачивания.
Закорачивание приводит к уравниванию или нейтрализации зарядов, накопившихся на электродах во время адсорбции, что способствует выходу адсорбированных ионов в объем необработанной воды. Обращение полярности ведет к существенному отталкиванию ионов от электродов и вызывает передвижение ионов в объем жидкости, при этом электроды подвергаются регенерации для дальнейшей работы. Последующие
операции закорачивания обеспечивают десорбцию оставшихся ионов из поверхности электродов, при этом они становятся готовыми к дальнейшей эксплуатации.
Коммерческие водоочистители, работающие по принципу емкостной деионизации, обычно содержат пакет электродов, которые циклически заряжаются и разряжаются.
Однако характеристики электродов обычно ухудшаются с течением времени. По мере того, как на электродах отлагаются ионы, становится трудно поддерживать заданный уровень снижения TDS. Следовательно, отложение ионов влияет на продолжительность эксплуатации электродов. Потребители, при этом, предпочитают электроды с большей продолжительностью эксплуатации.
В WO 00/14304 Al (ANDELMAN Marc et al.) раскрыто применение положительных потенциалов и циклическое закорачивание, которое перемежается с обращением потенциала через несколько циклов.
В WO 01/13389 Al (ANDELMAN Marc) изложены преимущества использования положительного и отрицательного потенциала в пределах одного и того же цикла для чистки электродов. Цикл состоит из одной операции заряда и одной операции разряда, а полярность электродов обращается через определенное число циклов.
Ограничение процесса, описанного в приведенных заявках, заключается в том, что, несмотря на обращение полярности через определенное число циклов, срок эксплуатации все еще остается коротким, что приводит к необходимости частого вмешательства.
В US 6413409В1 (Biosource INC, 2002) раскрыта обработка/очистка жидкости при пропускании ее через конденсатор. Этот способ также включает ряд операций, а в одном из таких способов приведен ряд из 4 повторяющихся операций. Эти операции представляют собой зарядку, закорачивание или разрядку, соединение в обратном порядке, а затем опять закорачивание. Этому ряду операций не придается никакого особого значения в плане неожиданного технического эффекта.
Сущность изобретения
Представлен способ деионизации воды с использованием емкостной деионизации, включающий повторение серии циклов, во время которых вода проходит по меньшей мере через одну пару противоположно заряженных электродов, и каждый цикл включает:
(i) стадию заряда;
(ii) первую стадию закорачивания;
(ш) стадию разряда, заключающуюся в обращении подаваемого на электроды заряда; и
(iv) вторую стадию закорачивания;
причем полярность подаваемая на каждый электрод в каждой паре противоположно заряженных электродов на стадии заряда указанной серии повторяющихся циклов обращается на стадии заряда следующей сразу за этим серии повторяющихся циклов, при этом каждый такая серия включает от 10 до 20 циклов.
Далее настоящее изобретение будет изложено подробно.
Подробное описание изобретения
Емкостная деионизация представляет собой новую технологию деионизации минерализованной воды со значением TDS от 500 до 3000 ррт. Принцип работы заключается в электросорбции или электроадсорбции, когда находящиеся в воде ионы адсорбируются на электродах под влиянием приложенного электрического поля. Типичный цикл емкостной деионизации включает две стадии: стадию очистки и стадию регенерации.
На стадии очистки через электроды подаются положительные и отрицательные заряды, а находящиеся в воде противоионы притягиваются к электродам с противоположными зарядами. Этот эффект вызывает уменьшение количества ионов в воде.
На стадии регенерации заряд на электродах обращается (либо закорачиваются электроды). На этой стадии ионы подвергаются десорбции из электродов и переходят в текущую воду вследствие электростатического отталкивания. На этой стадии в воде будет большее количество ионов. Такая вода обычно не годится для употребления, поэтому коммерческие устройства содержат встроенные механизмы для сбрасывания или удаления этой воды.
Технические характеристики любой системы емкостной деионизации можно измерить по двум параметрам.
Первый параметр - оптимальность удаления всех растворенных твердых веществ. Второй параметр называется "отдача", которая определяется как соотношение между очищенной водой и общим поступлением воды. Лучшим является такое устройство или способ, при котором отдача является как можно большей, что означает, что очищается больше воды.
Теперь этого удалось добиться способом, в котором заряд, подаваемый на каждый электрод в каждой паре противоположно заряженных электродов на стадии заряда из данной серии повторяющихся циклов, обращается на стадии заряда следующей за этим серии повторяющихся циклов, при этом каждая такая серия включает от 10 до 20 циклов, а каждый цикл включает 4 стадии.
Цикл
Излагаемый способ очистки воды включает серию повторяющихся циклов, в которых поступающая вода проходит по меньшей мере через одну пару противоположно заряженных электродов, и каждый цикл включает:
(i) стадию заряда;
(ii) первую стадию закорачивания;
(iii) стадию разряда, состоящую из обращения зарядов на электродах; и
(iv) вторую стадию закорачивания.
Для сравнения: в известном способе каждый цикл состоит лишь из двух стадий -стадии заряда и стадии разряда.
При обращении полярности до осуществления 10 циклов процесс становится неэффективным. Это объясняется тем, что после перемены полярности системе требуется несколько циклов (именуемых бесполезными циклами) для стабилизации и достижения максимальной эффективности. Поэтому, если обращение полярности проводится часто, то возрастет количество бесполезных циклов, что сделает процесс неэффективным. Обращение подаваемых зарядов после 20 циклов не будет давать нужного эффекта, так как электроды к тому времени адсорбируют значительное количество ионов.
На стадии заряда ионы, которые находятся в поступающей воде, адсорбируются на поверхности электродов. В предпочтительном способе продолжительность стадии заряда составляет от 1 до 25 минут, более предпочтительно от 6 до 18 минут, еще более предпочтительно от 12 до 18 минут. Продолжительность для каждой стадии зависит от типа электродов, материала, из которого они изготовлены, их размеров, подаваемого напряжения и значения TDS у подлежащей обработке воды.
Первая стадия закорачивания способствует уравниванию или нейтрализации зарядов, находящихся на электродах, с тем, чтобы ионы могли перейти в общий объем воды. В предпочтительном способе продолжительность первой стадии закорачивания составляет от 2 до 60 секунд, более предпочтительно от 8 до 15 секунд и наиболее предпочтительно от 10 до 15 секунд.
Авторы настоящего изобретения установили, что даже после первой стадии закорачивания некоторые ионы могут продолжать находиться на электроде, среди прочих причин, из-за отсутствия конкретной движущей силы для десорбции. Это можно преодолеть при помощи стадии разряда, заключающейся в кратковременном обращении подаваемых зарядов на электродах, что способствует высвобождению ионов, удерживаемых остаточным зарядом электродов. Такие ионы при этом легко высвобождаются под действием отталкивающих электрических сил.
Эта стадия также способствует регенерации электродов для дальнейшей работы. В предпочтительном способе продолжительность стадии разряда составляет от 5 до 20 секунд, более предпочтительно от 8 до 15 секунд и наиболее предпочтительно от 8 до 15 секунд.
Вторая стадия закорачивания способствует дальнейшей нейтрализации остаточных зарядов. В предпочтительном способе продолжительность второй стадии закорачивания составляет от 4 до 20 минут, более предпочтительно от 12 до 18 минут. Эта стадия еще больше выталкивает ионы из электродов в общий объем воды.
Электроды
При емкостной деионизации электроды используются в качестве среды для электросорбции ионов для снижения общего содержания растворенных твердых веществ в воде. При высоких значениях TDS вода приобретает неприятный вкус.
Как изложено выше, вода проходит по меньшей мере через одну пару противоположно заряженных электродов. Известны различные типы электродов. Можно выбрать любые конкретные электроды, отвечающие имеющимся требованиям.
Электроды могут состоять из материалов различного типа. Наиболее популярным и предпочтительным материалом является активированный уголь, предпочтительно полученный из битуминозного угля, скорлупы кокосов, древесины или нефтяного пека. Предпочтительно площадь поверхности активированного угля составляет более 500 м /г, более предпочтительно больше 1000 м2/г. Предпочтительно коэффициент однородности размеров активированного угля составляет менее 2, более предпочтительно меньше 1,5. Предпочтительно четыреххлористоуглеродное число активированного угля составляет более 50%, более предпочтительно больше 60%. Йодное число активированного угля предпочтительно составляет более 800, более предпочтительно больше чем 1000. Предпочтительно размер частиц активированного угля составляет от 75 до 300 мкм, более предпочтительно от 100 до 250 мкм.
Вместо или наряду с активированным углем также можно использовать модифицированные формы активированного угля, в том числе углеродную ткань, углеродный войлок, углеродный аэрогель и модифицированный металлом углерод.
Для скрепления электрода, напр. частиц углерода, при формировании электрода используются связующие вещества, обычно органические. Предпочтительны термопластичные связующие. Более предпочтительны связующие с показателем текучести в расплаве (MFR) менее 5 г за 10 минут. Еще более предпочтительно значение MFR составляет менее 2 г за 10 минут и оптимально менее 1 г за 10 минут. Показатель текучести в расплаве (MFR) обычно измеряют с помощью теста ASTM D 1238 (ISO 1133).
Предпочтительно объемная плотность связующего составляет до 0,6 г/см, более предпочтительно до 0,5 г/см и еще более предпочтительно до 0,25 г/см .
Примеры подходящих связующих включают ультравысокомолекулярный полиэтилен, полипропилен и их комбинации с молекулярной массой от 106 до 109 г/моль. Связующие этого класса коммерчески доступны под товарными знаками Hostalen(r) фирмы Ticona GmbH, GUR(r), Sunfine(r) (фирмы Asahi, Япония) и Hizex(r) (фирмы Mitsubishi). Другие подходящие связующие включают LDPE, доступный под названием Lupolen(r) (фирмы Basel Polyolefms) и LLDPE от фирмы Qunos (Australia). Предпочтительно термопластичные связующие не фибриллированы.
Предпочтительно размер частиц термопластичных связующих составляет от 20 до 60 мкм, более предпочтительно от 40 до 60 мкм. Предпочтительно термопластичное связующее составляет от 8 до 30%, более предпочтительно от 10 до 30%, еще более предпочтительно от 12 до 28% от массы электрода.
Для изготовления электродов используются проводящие материалы, в особенности и предпочтительно проводящие формы угольной сажи. Такая сажа является формой элементарного углерода. Для того, чтобы выбрать подходящую разновидность сажи для электродов, нужно учитывать общую площадь поверхности, площадь поверхности мезопор, структуру и окисленность поверхности.
Предпочтительно общая площадь поверхности проводящей угольной сажи составляет более 500 м /г. Также предпочтительно площадь поверхности мезопор проводящей угольной сажи составляет более 100 м /г, оптимально от 100 до 1000 м /г. Структура проводящей угольной сажи характеризуется соответствующим показателем маслоемкости (Oil Absorption Number, OAN). У коммерчески доступной сажи OAN составляет от 45 до 400 см на 100 г. Предпочтительно показатель маслоемкости (ОAN) проводящей угольной сажи составляет от 100 до 400 см3 на 100 г, наиболее предпочтительно от 250 до 400 см3 на 100 г.
Предпочтительные марки проводящей угольной сажи включают Timcal(r) Graphite 5 Carbon (марки: Ensaco(r) 250G, Ensaco(r) 350) или фирмы Cabot Corporation (марки: Regal, Black Pearl 2000, Vulcan), либо фирмы Evonovik (марка: Printex(r) XE-2) или фирмы Akzo Nobel (Ketjen Black).
Предпочтительная композиция электрода включает активированный уголь, термопластичное связующее и проводящую угольную сажу, которая предпочтительно запресована на графитовую пластину путем термической обработки. Подробное описание электродов приведено в WO 2009/077276 Al (Unilever). Предпочтительно соотношение активированного угля к указанному связующему составляет от 1:1 до 20:1, а соотношение
активированного угля к указанной проводящей угольной саже составляет от 1:1 до 10:1.
Электроды для применения обычно нарезают до требуемого размера. Такой размер зависит от размера соответствующей ячейки для емкостной деионизации, в которой собраны электроды. Обычно электроды собирают попарно, например 11 пар, например 13 пар вплоть до предпочтительно 25 пар. При более чем 25 парах гидравлическое сопротивление становится слишком высоким, что приводит к большому падению давления. А вторая причина состоит в том, что возникает некоторая задержка между циклом заряда и выходом воды из ячейки, потому что длина пути оказывается слишком большой. В предпочтительном способе вода проходит через 8-25 пар электродов. Обычно из общего числа электродов значительное их количество представлено двусторонними электродами, а чаще всего при использовании "п" пар электродов количество двусторонних пар составляет "п-1", в итоге остается одна пара в качестве односторонних электродов, которые, в сборке или стопке, располагаются по одному в качестве концевых электродов.
Особенно предпочтительно, чтобы из всех пар электродов большую часть составляли двусторонние и соответственно меньшую часть - односторонние.
Хотя в настоящем способе электроды предпочтительно располагаются параллельно, они, тем не менее, могут располагаться и последовательно.
Предпочтительно толщина каждого двустороннего электрода составляет от 1 до 6 мм, предпочтительно от 2 до 5 мм и более предпочтительно от 3 до 4 мм. Предпочтительно толщина каждого одностороннего электрода составляет от 1 до 3 мм.
Для предотвращения прямого контакта между электродами используется непроводящий материал типа нейлоновой ткани. Особенно предпочтительно, чтобы промежуток между двумя соседними электродами составлял 1 мм или меньше.
Ячейка для емкостной деионизации
Электроды собирают так, чтобы получилась ячейка. Изложенный способ осуществляется с использованием ячейки для емкостной деионизации. Обычно в такой ячейке пара электродов подсоединяется к соответственному положительному или отрицательному потенциалу. Ячейка для емкостной деионизации заключена в корпус, в котором предусмотрена подача воды и отвод ее из ячейки. Корпус также обеспечивает подключение и контакты извне к электродам в ячейке.
Подача поступающей воды в ячейку
Для подачи воды в ячейку можно использовать любые известные средства. Обычно вода поступает через резервуар или же из подключенного источника воды с насосом. В ячейку для емкостной деионизации подводится вода, хранящаяся в резервуаре, или же
ячейка для емкостной деионизации подсоединяется непосредственно к источнику воды типа водопроводного крана.
Вода подается насосом из резервуара или подключенного источника в ячейку для емкостной деионизации. Известные насосы подают воду со скоростью подачи от 1 до 1500 мл/мин, более предпочтительно от 10 до 300 мл/мин. Чаще всего скорость подачи составляет от 55 мл/мин до 110 мл/мин. Предпочтительно принимаются соответствующие меры для предварительной фильтрации подаваемой воды для удаления органических и других частиц.
Источник тока
Для практического применения изложенного способа нужен источник питания (тока). Ток может подаваться любым образом. Однако предпочтительно ток подается из программируемого блока питания постоянного тока (DC) для подачи постоянного тока (DC) и выполнения запрограммированных по времени операций типа закорачивания, заряда и разряда.
Предпочтительно рабочее напряжение на электродах на стадии заряда составляет от 0,1 до 10 V, более предпочтительно от 0,8 до 8 V и еще более предпочтительно от 1,0 до 6 V. На стадии разряда, когда заряды на электродах обращаются, пусть и на короткое время, предпочтительно напряжение составляет от -0,1 до -10 V, более предпочтительно от -0,8 до -8 V и еще более предпочтительно от -1,0 до -6 V.
Измерение TDS
Для измерения концентрации солей в воде используются кондуктометры, при этом значение TDS рассчитывается с помощью соответствующей компьютерной программы. Предпочтительно используют два таких кондуктометра. Первый кондуктометр, расположенный перед ячейкой для емкостной деионизации, измеряет концентрацию солей в воде на входе. Второй кондуктометр, расположенный после ячейки, измеряет концентрацию солей в воде на выходе. Этот второй кондуктометр подсоединяется к электронному процессору. Электронный процессор получает электрические сигналы из кондуктометра и преобразует электрические сигналы из кондуктометра в TDS. Предпочтительно проводимость измеряется через регулярные промежутки, например через 1 секунду, что может контролироваться электронным процессором. Если вода на выходе имеет значение TDS выше определенного уровня, то она обычно считается непригодной для потребления.
В качестве средства для контроля воды на выходе в ячейках для емкостной деионизации обычно используется электромагнитный (соленоидный) клапан.
Соленоидный клапан
Соленоидный клапан представляет собой управляемый электромеханически клапан. Клапан контролируется электрическим током через соленоид. В случае двухлинейного клапана поток подключается или перекрывается, а в случае трехлинейного клапана выходящий поток переключается между двумя выпускными каналами. Соленоидные клапаны являются самыми распространенными управляющими элементами при подаче жидкостей. Их главной задачей является перекрытие, пропускание, дозирование или распределение жидкостей. Соленоиды обеспечивают быстрое и безопасное переключение, высокую надежность, длительный срок эксплуатации, хорошую совместимость с используемыми материалами, низкую рабочую мощность и компактную конструкцию.
Предпочтительно применяются такие 3-линейные клапаны, у которых один канал служит для впуска воды, а два других - для выпуска. Предпочтительно соленоидный клапан подсоединяется к кондуктометру с релейным переключателем. Когда TDS превышает заданную величину, пропускание воды обычно перекрывается, и вода выходит из выпускного канала, который соединяется напрямую со впускным каналом. Когда же TDS уменьшается ниже заданной точки, то включается релейный переключатель и на соленоидный клапан подается ток, который переключает поток на другой канал.
Электронный процессор контролирует открытие определенного канала соленоидного клапана, исходя из измеряемого уровня TDS на входе и выходе и заранее установленных значений для TDS. Предпочтительно значение TDS у воды перед деионизацией составляет 700-800 ррт, но величина TDS может меняться в зависимости от источника воды. Предпочтительно значение TDS после деионизации уменьшается по меньшей мере до 30% от исходного уровня, например уменьшается со 100 ррт до 30 ррт. TDS зависит от ионов в воде. Эти ионы удаляются электродами. Срок эксплуатации каждого электрода ограничен.
Если степень удаления TDS падает ниже 30%, т.е. удаляется до 30%, то продолжение процесса и дальнейшая эксплуатация электродов без вмешательства не будут иметь смысла. Иными словами, если TDS на входе составляет 100 ррт, а на выходе - более 70 ррт, то электроды нуждаются в обслу живании.
Предпочтительно заданная величина, которая определяет верхний предел TDS, составляет 500 ррт. Более предпочтительно она составляет 300 ррт. Сильное снижение TDS до полного удаления растворенных солей нежелательно. Лишенная растворенных веществ вода обычно безвкусна. Поэтому точка нижнего предела составляет 150 ррт. Это значит, что вода на выходе будет иметь TDS как минимум в 150 ррт.
Меры для дальнейшего улучшения срока эксплуатации электродов
Обычно отмечается, что срок эксплуатации электродов для емкостной деионизации уменьшается по мере того, как на электродах отлагаются соли. Это снижает эффективность способа. Это может, к тому же, вызывать технические проблемы типа загрязнения электродов. Обычно для обновления электродов их обрабатывают/промывают химикатами.
Авторы изобретения установили, что возврат (recycling) некоторого количества очищенной воды с меньшим содержанием TDS обратно в ячейку для емкостной деионизации улучшает срок эксплуатации электродов. Поэтому в соответствии с предпочтительным аспектом способа в ячейку для емкостной деионизации возвращают некоторую часть очищенной воды. Очищенную воду можно возвращать любым подходящим способом, но предпочтительно при помощи процесса обратной подачи и дозирования. Предпочтительно этот процесс программируется электронно. Не ограничивая себя какой-либо теорией, авторы изобретения полагают, что возврат очищенной воды способствует растворению загрязняющих отложений вследствие образования высокого градиента концентраций между поверхностью электродов и общим объемом раствора.
С помощью этой операции можно практически удвоить срок эксплуатации электродов.
Также, если это необходимо, особенно когда электроды полностью загрязнены, технические характеристики электродов можно восстановить путем промывки загрязненных электродов кислотой, предпочтительно одной кислотой, более предпочтительно минеральной кислотой. Это можно сделать, к примеру, путем разборки электродов и промывания или же путем пропускания с помощью проточной системы. Предпочтительным является 1% раствор уксусной или соляной кислоты. Также предпочтительно следует отсоединить блок питания от электродов на это время. Кислый раствор предпочтительно пропускают через ячейку примерно 30 минут со скоростью подачи 110 мл/мин. Также предпочтительно следует промыть электроды 5 л воды для растворения всех преобразовавшихся солей, а затем водой со значением TDS около 800 ррт, чтобы довести ее опять до нейтрального значения рН.
Далее настоящее изобретение будет изложено подробно с помощью следующих неограничивающих примеров.
ПРИМЕРЫ
Пример 1. Получение предпочтительных угольных электродов
Предпочтительные угольные электроды получали методом мокрого смешивания с
последующим термическим отжигом. Смешивали порошковый активированный уголь с площадью поверхности BET в 885 м2/г и проводимостью примерно в 0,1 См/см, полиэтиленовое связующее высокой плотности и проводящую угольную сажу с площадью поверхности BET в 770 м2/г и проводимостью примерно в 0,05 См/см в соотношении 70:20:10, получая кашицу. Для получения двусторонних электродов кашицу наносили на обе стороны графитовой пластины толщиной 0,3 мм и диаметром 15 см. Для получения односторонних электродов использовали только одну сторону графитовой пластины. Пластину подвергали давлению в 25 кг/см в форме, а форму помещали в печь при 200°С на 2 часа, затем охлаждали до комнатной температуры, после чего электроды вынимали.
Каждый двусторонний электрод имел толщину в 3,2 мм, а каждый односторонний электрод - 1,7 мм. Площадь поверхности BET у каждого электрода составляла 757 м /г, а проводимость - примерно 0,15 См/см.
Двенадцать таких электродов соединяли параллельно друг другу (стопкой), при этом графитовая сторона выходила наружу на самом конце. Между каждыми двумя электродами помещали прокладку из нейлоновой ткани толщиной 100 мкм, которая предотвращает короткое замыкание электрической цепи, но позволяет воде проходить между электродами.
Стопку электродов обрезали до квадратной формы размером 10,6 мм * 10,6 мм с выходящей наружу треугольной графитовой частью размером 15 мм х 15 мм х 20 мм. Для соединения чередующихся электродов использовали треугольные графитовые разъемы толщиной 5 мм и размером 15 мм х 15 мм х 20 мм, которые соединялись с источником тока через соединительную шину. Эксперимент проводился на испытательной установке для емкостной деионизации, конструкция которой описана ниже.
Испытательная установка для емкостной деионизации
Была собрана испытательная установка для емкостной деионизации, которая включает ячейку CDI, которая в свою очередь содержит описанную стопку электродов, блок питания, перистальтический насос, кондуктометр, регистратор данных и самописец (предпочтительно компьютер). Испытательная установка включает ячейку CDI. Наружные размеры испытательной ячейки - 138 мм х 138 мм, а внутренние - 114 мм х 114 мм. Одна ячейка содержит 11 пар электродов. В испытательной ячейке перемежающиеся электроды соединены графитовыми разъемами, а затем прижаты крышкой так, чтобы промежуток между электродами составлял менее 1 мм. Это сделано для хорошей проводимости.
Внутри ячейки для емкостной деионизации распределение потока устроено так,
чтобы общий объем воды, поступающей в ячейку, разделялся равномерно между всеми электродами.
Вода поступает в ячейку снизу и выходит из нее сверху в конфигурации in-out. Вода закачивается в ячейку перистальтическим насосом, который запитан из резервуара. Ячейка подсоединена к блоку питания в 780 Ватт, а собранные данные вводятся в компьютер. Проводимость воды на входе и выходе измеряется стандартными кондуктометрами, и эти данные также вводятся в компьютер.
Через электроды пропускали воду с высоким значением TDS (TDS = 800 ррт) со скоростью подачи в 110 мл/мин. На электроды подавали потенциал в 4,4 В (стадия i) и -4,4 В (стадия iii). Заданную величину снижения TDS устанавливали на снижение по меньшей мере на 30%.
Продолжительность
• Стадия заряда - 16 минут
• Стадия первого закорачивания - 10 секунд
• Стадия разряда - 10 секунд
• Стадия второго закорачивания - 8 минут
Приведенные в табл. 1 данные показывают, что без обращения полярности можно было очистить только 258 л воды при сохранении заданного стандарта снижения TDS (по меньшей мере на 30%). С другой стороны, при выполнении изложенного способа можно было очистить почти вдвое больше воды. Иными словами, полученные результаты означают, что обращение полярности подаваемого на электроды заряда на стадии зарядки ведет к значительному повышению срока эксплуатации электродов.
Пример 2
Повторяли процесс из Примера 1 с уменьшением скорости подачи воды до 55
Приведенные в табл. 1 данные показывают, что осуществление способа (циклов) без обращения полярности заряда на электродах приводит к ухудшению показателей. Пример 3. Влияние возврата очищенной воды
Эксперимент проводился с использованием сборки, содержащей стопку из 11 пар электродов. Скорость подачи воды составляла 110 мл/мин с подачей напряжения в 4,4 В, а значение TDS у воды на входе составляло 800 ррт. Через электроды повторно пропускали (возвращали) 5 л очищенной воды. Эта очищенная вода использовалась для промывки электродов путем прокачивания воды через ячейку с такой же скоростью в ПО мл/мин, после чего воду отбрасывали. Эту операцию продолжали до тех пор, пока не был израсходован весь объем в 5 л воды. При этом блок питания был отсоединен.
Результаты представлены в табл. 3.
Из сравнения приведенных в табл. 3 данных хорошо видно, что возврат (рецикл) очищенной воды через электроды почти удваивает срок эксплуатации электродов. Электроды дают воду с максимальным значением TDS в 30 ррт вплоть до 1100 л по сравнению с 550 л в контрольном опыте.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ деионизации воды с использованием емкостной деионизации, включающий повторение серии циклов, во врет которых вода проходит по меньшей мере через одну пару противоположно заряженных электродов, и каждый цикл включает:
(!) стадию заряда;
(ii) первую стадию закорачивания;
(iii) стадию разряда, заключающуюся в обращении подаваемого на электроды заряда; и
(iv) вторую стадию закорачивания;
причем полярность заряда, подаваемого на каждый электрод в каждой паре противоположно заряженных электродов на стадии заряда в данной серии повторяющихся циклов, обращают на стадии заряда в следующей сразу за этим серии повторяющихся циклов, при этом каждая такая серия включает от 10 до 20 циклов.
2. Способ по п. 1, в котором продолжительность стадии заряда составляет от 1 до 25 минут.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором продолжительность первой стадии закорачивания составляет от 2 до 60 секунд.
4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором продолжительность стадии разряда в каждом цикле составляет от 5 до 20 секунд.
5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором продолжительность второй стадии закорачивания составляет от 4 до 20 минут.
6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором вода проходит через 825 пар электродов.
7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором указанные электроды соединяются параллельно.
8. Способ по п. 6 или 7, в котором из указанных пар электродов большую часть составляют двусторонние электроды и меньшую часть - односторонние электроды.
9. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором электроды включают активированный уголь, связующее и проводящую угольную сажу.
10. Способ по п. 9, в котором отношение активированного угля к указанному связующему составляет от 1:1 до 20:1, а отношение активированного угля к указанной проводящей угольной саже составляет от 1:1 до 10:1.
11. Способ по любому из предыдущих пунктов 8-10, в котором каждый двусторонний электрод имеет толщину от 1 до 6 мм.
12. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором часть очищенной воды
возвращают на рецикл в ячейку для емкостной деионизации.
13. Способ по п. 12, в котором указанную воду возвращают на рецикл при помощи процесса обратной подачи и дозирования.
14. Способ по п. 13, в котором указанный процесс запрограммирован электронно.