Система электролиза воды в большом объеме и способ ее применения - RU2716075C2
Код документа: RU2716075C2
Чертежи
Описание
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
[0001] Настоящая патентная заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №62/174,791, поданной 12 июня 2015 года, которая включена в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение в целом относится к системам получения электрохимически активированных растворов (например, электролизованной воды) для одновременного получения щелочной электролизованной воды и кислой электролизованной воды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Известны системы, осуществляющие электролиз воды, содержащей различные виды ионов (например, щелочные соли), для получения кислой электролизованной воды и щелочной электролизованной воды. Кислая электролизованная вода может проявлять себя как сильный стерилизующий агент, все чаще используемый для различных видов дезинфекции, в том числе в области медицины, сельского хозяйства и пищевой промышленности, а также в других отраслях. Щелочная или основная электролизованная вода также обладает моющим эффектом и может использоваться для различных видов очистки. Хлорид натрия широко используется как щелочная соль, растворимая в воде, поскольку она образует экологически чистые, сильнодействующие и недорогие кислоты и основания.
[0004] Доступные для приобретения системы электролиза воды имеют ряд недостатков. Крупным коммерческим потребителям таких систем может ежедневно требоваться значительное количество электролизованной воды. Так как большинство имеющихся электролизных систем относительно медленно вырабатывают электролизованную щелочную и кислую воду, ее производство в большом количестве может быть длительным и трудоемким, и иногда ее запасов становится недостаточно для удовлетворения коммерческих нужд. Несмотря на то что увеличения объемов получения согласно существующим конструкциям электролизных ячеек можно достичь за счет увеличения количества пар электролизных ячеек, такой подход приводит к пропорциональному росту стоимости системы. Кроме того, многим коммерческим потребителям требуется гораздо больше щелочных чистящих средств, чем кислотных дезинфицирующих средств. Так как оба эти вида средств получают путем электролиза одновременно, при производстве достаточного количества чистящего средства избыточное количество производимого дезинфицирующего средства зачастую подлежит утилизации.
[0005] Состав (например, примеси) воды, направляемой в систему электролизера, также может повлиять на качество обработанной щелочной и кислой электролизованной воды. При определенных условиях для достижения оптимального рН щелочного чистящего средства кислая электролизованная вода (дезинфицирующее средство) может иметь такой низкий рН, что кислота становится неустойчивой, что препятствует ее безопасному или эффективному использованию. Устранение этой проблемы может привести к нежелательному изменению рН щелочного чистящего средства.
[0006] Кроме того, если не собраны ионопроницаемые мембраны электролизных ячеек системы и не поддерживается их определенная пространственная ориентация (например, параллельная) относительно электродных пластин, это дополнительно может повлиять на процесс электролиза. Аналогичным образом, если давление жидкости, проходящей через ячейку электролизера, увеличивается, для того чтобы увеличить скорость обработки, ориентация мембраны может быть нарушена, что в результате приведет к ненадлежащему ионному обмену. Возросшая скорость потока через ячейку при более высоких давлениях жидкости дополнительно может ограничить время, необходимое для достаточного ионного обмена. Увеличение мощности электропитания электролизных ячеек для увеличения объемов получения также может отрицательно повлиять на рН щелочной или кислой электролизованной воды.
ЗАДАЧИ И РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему систему электролиза, выполненную с возможностью получения экономичным способом более способом более высоких объемов электролизованной воды в пределах установленных для для оптимального использования диапазонов рН.
[0008] Другая задача заключается в том, чтобы предложить систему электролиза, описанную выше и имеющую конструкцию ячейки электролизера, которая позволяет увеличить производство электролизованной воды.
[0009] Еще одна задача состоит в том, чтобы предложить систему электролиза вышеуказанного типа, позволяющую в соответствии с требованиями потребителей производить больше щелочной электролизованной воды, чем кислой электролизованной воды.
[0010] Еще одна задача заключается в том, чтобы предложить систему электролиза вышеуказанного типа, позволяющую контролировать диапазоны рН при производстве щелочной электролизованной воды и кислой электролизованной воды для обеспечения оптимального использования конечного продукта, вне зависимости от жесткости или мягкости воды на входе в систему.
[0011] Еще одна задача состоит в том, чтобы предложить систему электролиза, содержащую систему водоподготовки (например, систему умягчения, обратный осмос) для умягчения воды перед тем, как направить ее в электролизер, где весь объем на выходе из установки для умягчения воды используется для получения щелочной электролизованной воды и кислой электролизованной воды с показателями рН в пределах оптимальных диапазонов.
[0012] Еще одна дополнительная задача заключается в том, чтобы предложить систему электролиза вышеуказанного типа, являющуюся относительно простой в проектировании и пригодной для коммерческого получения.
[0013] Другие задачи и преимущества изобретения станут понятными после прочтения следующего подробного описания и после обращения к прилагаемым чертежам.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] На Фиг. 1 показано схематичное изображение картриджа ячейки, погружаемого в ванну с солевым раствором, в качестве примера осуществления настоящего изобретения.
[0015] На Фиг. 2 показан увеличенный вид в аксонометрии картриджа электролизной ячейки, изображенного на Фиг. 1.
[0016] На Фиг. 3 показан вид в аксонометрии картриджа ячейки, представленного на Фиг. 2, с пространственным разделением деталей.
[0017] На Фиг. 4 показан увеличенный схематичный вид в вертикальном разрезе представленного картриджа в соответствии с изобретением.
[0018] На Фиг. 5 показан увеличенный частичный разрез картриджа ячейки, изображенного на Фиг. 4.
[0019] На Фиг. 6 показана схема внутренней стороны держателя катодных электродов для представленного картриджа ячейки.
[0020] На Фиг. 7 показан увеличенный вид в аксонометрии одного из катодных электродов представленного картриджа ячейки.
[0021] На Фиг. 8 показан вид в аксонометрии ионообменной мембраны катодной ячейки для представленного картриджа ячейки.
[0022] На Фиг. 9 показан вид в аксонометрии центральной разделительной пластины для представленного картриджа ячейки со схематично изображенными крепежными элементами, проходящими через крепежные отверстия в разделительной пластине.
[0023] На Фиг. 10 показан вид перегородки, изображенной на Фиг. 9, сбоку в вертикальном разрезе.
[0024] На Фиг. 11 показан вид в аксонометрии внутренней стороны держателя для анодной ячейки представленного картриджа ячейки.
[0025] На Фиг. 12 показан вид в аксонометрии одного из анодных электродов анодной ячейки для представленного картриджа ячейки.
[0026] На Фиг. 13 показан вид в аксонометрии ионообменной мембраны анодной ячейки для представленного картриджа ячейки.
[0027] На Фиг. 14 показан вид сбоку в вертикальном разрезе держателя анода для представленного картриджа ячейки вместе с установленной на нем уплотнительной прокладкой.
[0028] На Фиг. 15 показана структурная схема примера осуществления системы.
[0029] На Фиг. 16 показана электрическая схема примера осуществления системы, представленного на Фиг. 15.
[0030] На Фиг. 17 показана структурная схема дополнительного примера осуществления системы, включающей обратный осмос.
[0031] На Фиг. 18 показана электрическая схема дополнительного примера осуществления системы, представленного на Фиг. 17.
[0032] Несмотря на то что изобретение допускает различные модификации и альтернативные конструкции, некоторые примеры осуществления представлены на чертежах и будут подробно раскрыты ниже. Однако следует понимать, что здесь не ставится цель ограничить изобретение конкретными раскрываемыми формами, а напротив, цель состоит в том, чтобы охватить все модификации, альтернативные конструкции и эквиваленты, входящие в сущность и объем изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0033] Обратимся конкретно к Фиг. 1-14 на представленных чертежах, на которых показан пример высокопроизводительной системы 10 электролиза в большом объеме в соответствии с изобретением, осуществляющая электролиз раствора воды и соли (например, неорганической соли) для получения щелочной или основной электролизованной воды и кислой электролизованной воды. Представленная система 10 электролиза содержит картридж 11, содержащий катодную и анодную ячейки 14, 15 электролизера, соответственно, погружаемые в открытую ванну 16 с солевым раствором, помещенным в резервуар 18.
[0034] В соответствии с важной особенностью данного варианта осуществления изобретения, катодная электролизная ячейка 14 предназначена для получения на выходе большого объема щелочной или содержащей основание электролизованной воды, тогда как анодная электролизная ячейка 15 используется для получения меньшего количества кислой электролизованной воды в соответствии с требованиями потребителя. С этой целью представленная катодная ячейка 14 электролизера содержит пару отрицательно заряжаемых катодных электродов C1, С2, держатель 20 электродов, внутри которого установлены электроды C1, С2, проницаемую для положительных ионов или катионообменную мембрану 21, уплотнительную прокладку 22 и перегородку или мембранную опорную пластину 24 (Фиг. 3).
[0035] Катодные электроды C1, С2 в данном случае установлены в одной плоскости в соответствующих герметичных камерах 23 (Фиг. 6), которые расположены рядом друг с другом, в держателе 20 электродов. Электроды C1, С2 в данном случае поддерживаются таким образом, что внешние края их соседних сторон расположены на расстоянии друг от друга в боковом направлении. Чтобы увеличить площадь поверхности катодных электродов C1, С2 для улучшения ионного обмена при работе системы, каждый из электродов C1, С2 содержит пару титановых сетчатых пластин 25 (Фиг. 7), установленных рядом на близком расстоянии параллельно друг другу. Между сетчатыми пластинами 25 каждого электрода С1, С2 приварены проставочные пластины 26 для создания структурного и электрического соединения между пластинами 26 и одновременно для поддержания постоянного зазора. Каждый из электродов C1, С2 имеет соответствующий электрический соединительный штырь 27, выступающий наружу из центра электродов С1, С2 для крепления к соответствующему электрическому кабелю и для подведения питания к электродам, как станет понятно далее. Каждый электрический соединительный штырь 27 в этом случае приварен к соответствующей соединительной пластине 28, которая, в свою очередь, приварена к внешней стороне сетчатой пластины 26 катодного электрода С1, С2, обращенной к внутренней стенке камеры 23 держателя. Каждый штырь 27 в данном случае имеет внешнюю резьбу, чтобы облегчить присоединение к электрическому питающему кабелю.
[0036] Держатель 20 электродов предназначен для поддержки катодных электродов C1, С2 таким образом, чтобы между каждым катодом C1, С2 и внутренней боковой стенкой держателя 20 электродов существовала полость или пространство 30 (Фиг. 1, 4 и 5). Один или оба катода C1, С2 закрепляются за счет соответствующего электрического соединительного штыря 27. В некоторых вариантах осуществления изобретения держатель 20 электродов может дополнительно содержать утопленные выступы 32 (Фиг. 6) для поддержки верхних и нижних краев электродов С1, С2 на заранее определенном расстоянии от внутренней боковой стенки держателя 20 катодного электрода. В таком положении электрический соединительный штырь 27 каждого электрода выступает через соответствующее отверстие, выполненное по центру в примыкающей боковой стенке держателя, с соответствующим уплотнительным кольцом вокруг штыря 27 для герметизации, чтобы не допустить попадания солевого раствора в картридж 11. Прокладка 22 в данном случае образует прямоугольные окна 22а вокруг катодных электродов С1, С2, позволяющие герметизировать электроды С1, С2 относительно друг друга по периметру и снаружи от ванны с солевым раствором, как станет понятно далее.
[0037] Мембрана 21 для обмена положительных ионов (т.е. катионообменная) может быть гидратирована перед сборкой и установлена, сохраняя определенную пространственную ориентацию, для данного случая параллельную, относительно катодного электрода C1, С2 с помощью разделительной пластины 24, служащей для двух целей, а именно: для фиксации мембраны 21 таким образом, чтобы она не могла оттолкнуться от электродов C1, С2 вследствие внутренних давлений в ячейке, также она дополнительно обеспечивает проточные каналы, чтобы обеспечить возможность циркуляции солевого раствора из ванны 16 между катодной ячейкой 14 и анодной ячейкой 15. Разделительная пластина 24 в данном случае, как изображено на Фиг. 9 и 10, имеет сетчатую структуру, образующую проточные каналы 35, 36 для жидкости по периметру и в центральной области разделительной пластины 24, соответственно.
[0038] Анодная ячейка 15 так же, как и катодная ячейка 14, содержит пару электродов A1, А2, в данном случае заряжаемых положительно, держатель 40 анодных электродов, прокладку 41, и отрицательную или анионопроницаемую мембрану 42, расположенную рядом и фиксируемую противоположной стороной разделительной пластины 24 напротив катодной мембраны 21. Анодные электроды A1, А2 в данном случае имеют конструкцию в виде сплошной плоской пластины, предпочтительно покрытой титаном (Фиг. 12). Электрический соединительный штырь, аналогичный тому, что используется в катодных электродах, также приварен в центре на боковой стороне каждого электрода A1, А2 для вставки в соответствующее отверстие в боковой стенке держателя 40 анодных электродов. Соответствующее уплотнительное кольцо также расположено вокруг электрического соединительного штыря и отверстия для вставки в держатель.
[0039] В отличие от катодных электродов C1, С2, анодные электроды A1, А2 монтируют таким образом, чтобы они непосредственно примыкали, находились в контакте с внутренней стенкой держателя 40 анода. Прокладка 41, аналогичная прокладке 22 катода, образует окна, расположенные вокруг анодных электродов A1, А2 для их индивидуальной герметизации внутри держателя 40. В некоторых вариантах осуществления систем размеры анодных электродов A1, А2 выбирают таким образом, чтобы они занимали меньшее пространство по сравнению с полным пространством камеры держателя 40, где они расположены, чтобы сформировать дополнительный проточный канал 43 (Фиг. 14) по внешнему периметру анодных электродов A1, А2, для того чтобы пропустить дополнительный поток жидкости, способствующий стабилизации рН по меньшей мере для кислоты, если не для обоих продуктов. Использование анодного электрода меньшего размера позволяет воде проходить между анодными электродами A1, А2 и мембраной 42, а также по периметру анодных электродов A1, А2 (т.е. получить комбинированный поток), обеспечивая тем самым увеличение потока при отсутствии проблем с давлением. Предполагается, что комбинированный поток обеспечивает определенное пространственное взаимодействие между анодными электродами A1, А2 и мембраной 42, позволяя увеличить время выдержки жидкости в камере, что, в свою очередь, увеличивает количество свободного активного хлора в кислоте и позволяет достичь требуемого показателя рН конечного продукта.
[0040] Согласно еще одной особенности представленной системы 10 электролизера, катодная и анодная ячейки 14, 15 скреплены вместе, чтобы сформировать единый картридж 11 для обеспечения простого монтажа в ванне 16 с солевым раствором и эффективного и надежного использования. С этой целью держатели 20, 40 катодных и анодных электродов, мембраны 21, 42, уплотнительные прокладки 22, 41 и разделительная пластина 24 содержат прямоугольные структуры из выровненных отверстий 45 для вставки крепежных болтов, которые расположены вокруг электродов и используются для вставки крепежных болтов 46, предпочтительно выполненных из нейлона или другого неметаллического материала и фиксируемых нейлоновыми крепежными гайками 48 (Фиг. 5). В собранном состоянии и при использовании картриджа 11 центральная разделительная пластина 24 будет поддерживать параллельную ориентацию мембран 21, 42 относительно пластин C1, С2, A1, А2 электродов для обеспечения оптимальной обработки. Выражение «параллельная ориентация» может использоваться как для описания центральной разделительной пластины и/или пластин электродов, являющихся плоскими и параллельными, так и для описания центральной разделительной пластины и/или пластин электродов, имеющих кривизну (одна или более центральных разделительных пластин и/или пластин электродов), но установленных таким образом, что они были бы параллельными при отсутствии кривизны. С этой целью прокладки 22, 41 и их крепления выполнены таким образом, чтобы они не препятствовали параллельному выравниванию элементов картриджа, картриджа. Прокладки 22, 41 изготовлены из деформируемого материала, такого как силиконовая резина, при этом каждая из них имеет поперечную толщину, превышающую глубина пазов 50 для вставки в держатели 20, 40, внутрь которых они устанавливаются. После скрепления компонентов картриджа крепежными болтами 46 прокладки 22, 41 оказываются полностью зажаты в поперечном направлении внутри пазов 50 для вставки. В таком сжатом состоянии прокладки 22, 41 служат надежным уплотнением вокруг собранных электродов А1, А2, C1, С2, при этом обеспечивается отсутствие неровных опорных поверхностей прокладок 22, 41, которые могли бы привести к нарушению параллельного выравнивания элементов картриджа в результате неравномерного затягивания крепежных болтов 46 с различными усилиями. В представленном варианте осуществления, пазы для вставки могут иметь глубину 0,020 дюймов при толщине прокладок 0,025 дюймов. Поэтому болты 46 могут фиксироваться с заранее заданным крутящим моментом, обеспечивающим требуемый контакт с уплотнением и выравнивание элементов сборки, и, в частности, выравнивание электродов A1, А2, C1, С2 и мембран 21, 42.
[0041] При наличии собранного картриджа 11, установленного в ванне 16 с солевым раствором, солевой раствор может свободно циркулировать через разделительную пластину 24 для эффективного ионного обмена через мембраны 21, 42, расположенные на каждой стороне разделительной пластины 24. Пара впускных отверстий 55 (Фиг. 6), сообщающихся через боковую сторону держателя 20 катода, примыкающую к нижней части держателя 20, дает возможность потоку воды по отдельности проходить через камеры, содержащие по одному катодному электроду С1, С2. Держатель 20 электрода аналогичным образом имеет пару выпускных отверстий 56, примыкающих к верхней части держателя, через которые обработанная электролизованная щелочная вода выходит из камер держателя 20, содержащих катоды. Следует отметить, что проход воды по направлению вверх позволяет избежать образования застойных областей и накопления газа в катодных камерах, что могло бы препятствовать эффективному обмену.
[0042] В соответствии с другой важной особенностью этого варианта осуществления изобретения, полости 30 (Фиг. 1, 4 и 5), образованные между внутренней стенкой держателя 20 катодного электрода и катодными электродами С1, С2, позволяют увеличить поток жидкости через катодную ячейку 14 с определенным временем пребывания в ячейке для улучшения ионного обмена за счет циркулирующего солевого раствора. Это реализуется без увеличения критического расстояния между катодными электродами C1, С2 и мембраной 21. Вместо этого часть потока жидкости из впускных отверстий 55 может обойти небольшие зазоры между катодными электродами C1, С2 и мембраной 21, что в ином случае могло бы привести к нарастанию давления, большим нагрузкам на мембрану и увеличению скорости потока через ячейку с недостаточным временем выдержки для соответствующего ионного обмена. В некоторых вариантах осуществления изобретения полости 30 имеют глубину D, по меньшей мере в 2 раза превышающую расстояние между мембраной и катодными электродами, в том числе по меньшей мере в 10 раз превышающую расстояние между мембраной и катодными электродами. В некоторых вариантах осуществления изобретения полости 30 имеют глубину D, приблизительно в 2-100 раз превышающую расстояние между мембраной и катодными электродами, в том числе приблизительно в 10-50 раз превышающую расстояние между мембраной и катодными электродами. В характерном варианте осуществления изобретения расстояние между мембраной и катодным электродом составляет 0,02 дюйма, а глубина полости составляет 0,5 дюйма.
[0043] Как описано в настоящей патентной заявке, при погружении картриджа в открытую ванну 16 с солевым раствором и при наличии источника пресной воды, а также при подключении картриджа к источникам питания постоянного тока, картридж 11 можно использовать для получения кислой электролизованной воды и щелочной электролизованной воды. Пресная вода 130 (например, умягченная вода) подается в катодную электролизную ячейку 14 так, чтобы она контактировала с каждым катодным электродом С1, С2. При подаче питания положительные ионы (например, Na+) притягиваются из солевого раствора открытой ванны 16 посредством катионообменных мембран 21 и попадают в поток пресной воды, контактирующей с катодными электродами C1, С2.
[0044] Как было установлено, уникальная конструкция катодной ячейки 14 позволяет производить большие объемы готового к использованию католита подходящей концентрации. Из вышеизложенного понятно, что использование держателя 20 катода является эффективным для удержания катодных электродов С1, С2 на соответствующем расстоянии от катионообменной мембраны 21 для обеспечения оптимальной электрической эффективности и необходимой концентрации католита. Двойные пути для пропуска потока вокруг мембраны 21 позволяют католиту высокой концентрации, получаемому между катодными электродами и мембраной 21, легко смешиваться с потоком раствора, идущим за катодными электродами С1, С2. Это позволяет внутри катодной ячейки 14 эффективно разбавлять католит до концентрации, подходящей для использования. Таким образом, пользователь не имеет внешнего доступа или возможности воздействия на поток концентрированного католита между катодными электродами C1, С2 и мембраной 21. Относительно глубокие полости или камеры 30, расположенные за катодными электродами C1, С2, также позволяют пропустить больший поток через полости или камеры 30 в условиях контролируемого давления, при этом увеличивается время пребывания, в течение которого раствор остается в камерах при прохождении данного потока, что в свою очередь увеличивает концентрацию католита. Дополнительно могут предусматриваться выпускные отверстия 56 для поддержания давления внутри катодной ячейки 14 на контролируемом уровне.
[0045] Конструкция двойной пластины катодного электрода максимально увеличивает площадь контактной поверхности между поверхностями электродов и входящим потоком воды, что дополнительно повышает эффективность получения электролита. Большая площадь поверхности электрода при заданном количестве электрической энергии и объеме воды, в свою очередь, способствует получению более высокой концентрации католита. Увеличенные металлические поверхности катодной пластины дополнительно позволяют входящему потоку воды проходить в пространстве между катодными электродами C1, С2 и мембраной 21 и между электродами C1, С2 и держателем 20 электродов. Это позволяет католиту высокой концентрации, получаемому между катодными электродами С1, С2 и мембраной 21, легко перемешиваться с потоком раствора, проходящим за электродными пластинами, что дает возможность эффективно разбавлять католит до готового к использованию состояния. Католит высокой концентрации проходит внутри катодной ячейки 14, поэтому, как было показано, пользователь не имеет внешнего доступа к потоку католита высокой концентрации. Увеличенные металлические поверхности электродов также вносят турбулентность в потоки раствора, ограничивающую скопление пузырьков водорода на поверхностях катодных электродов. Это существенно увеличивает эффективность получения католита за счет поддержания максимальной площади контакта раствора с катодными электродами C1, С2. Также это исключает образование больших пузырьков газа, потенциально способных привести к локальным увеличениям температуры и возможному преждевременному отказу катодной ячейки.
[0046] Уникальная конструкция анодной ячейки позволяет получить заданный поток анолита с подходящей для использования концентрацией и показателем рН предпочтительно равным от 5 до 6. Держатель 40 анодного электрода также выполнен таким образом, чтобы удерживать анодные электроды A1, А2 на соответствующем расстоянии от отрицательной или анионопроницаемой мембраны 42 для обеспечения оптимальной электрической эффективности и необходимой концентрации анолита. Держатель 40 электродов в данном случае создает другую конфигурацию двойного пути для пропуска потока, обеспечивающую высокую концентрацию анолита, получаемого между анодными электродами A1, А2 и мембраной 42, чтобы он легко перемешивался с потоком раствора, проходящим через дополнительные проточные каналы 43, расположенные по внешнему периметру анодных электродов A1, А2. Эту двойную схему потока получают за счет того, что держатель анодного электрода имеет более широкие камеры по сравнению с самими электродами (камера шириной 4 дюйма, электрод шириной 3 дюйма), чтобы двойной или дополнительный поток через дополнительные проточные канал 43 эффективно разбавлял анолит внутри анодной ячейки до концентрации, подходящей для использования. Таким образом, пользователь также не имеет внешнего доступа к концентрированному потоку анолита. Анодная ячейка 15 позволяет контролировать рН анолита за счет простого смешивания потока с низким показателем рН, проходящим между анодными электродами A1, А2 и мембраной 42, с потоком с более высоким показателем рН, проходящим по периметру анодных электродов A1, А2. Таким образом, пользователь не имеет внешнего доступа к потоку анолита, имеющего показатель рН, не входящий в предпочтительный диапазон от 5 и 6. Дополнительные потоки снижают давление внутри анодной ячейки 15 путем увеличения площади поперечного сечения потока, не влияя на критическое расстояние между мембраной и анодным электродом.
[0047] На Фиг. 15 показан характерный вариант осуществления системы, имеющей характерные скорости потока. Катодные и анодные ячейки 14, 15 содержат катодные и анодные электроды С1, С2, А1 и А2, как описано выше. Источник 130 умягченной воды обеспечивает ее подачу к катодным электродам С1 и С2. Катодный электрод С1 (т.е. первый катодный электрод) генерирует продукт 150 (т.е. щелочную электролизованную воду), например, при расходе 1,6 галлонов в минуту, а катодный электрод С2 (т.е. второй катодный электрод) генерирует щелочной питающий поток 160, направляемый к анодным электродам А1 и А2 (т.е. к первому анодному электроду и второму анодному электроду). В представленном варианте осуществления изобретения анодные электроды А1 и А2 производят, например, в общей сложности 0,6 галлонов продукта 170 (кислой электролизованной воды), показатель рН которого можно контролировать, например, с помощью датчика 175, измеряющего рН.
[0048] В некоторых вариантах осуществления изобретения катодные электроды C1, С2 могут функционировать в режиме «ступенчатого тока», который представлен на Фиг. 15 и 16, в частности на Фиг. 16, где изображен пример электрической схемы для варианта осуществления изобретения, показанного на Фиг. 15. Например, катодный электрод С1 может работать с большим расходом воды и большим электрическим током, чем катодный электрод С2, что может быть реализовано для выработки большего количества продукта 150 (т.е. щелочной электролизованной воды). В некоторых вариантах осуществления изобретения катодный электрод С1 работает при токе, приблизительно в 2-5 раз превышающем ток катодного электрода С2. Как показано на Фиг. 16, пример режима ступенчатого тока следующий: катодный электрод С1 работает при токе -25 А, тогда как катодный электрод С2 работает при токе -10 А, с соответствующим положительным током, текущим к соответствующему анодному электроду(ам). Другая функция режима ступенчатого тока состоит в том, чтобы уменьшить суммарный ток, направляемый на один анодный электрод. Уменьшение и/или компенсация тока, протекающего через два анода, позволяет контролировать рН щелочной электролизованной воды и/или кислой электролизованной воды. В некоторых вариантах осуществления изобретения, использующих режим ступенчатого тока, по меньшей мере три источника питания (например, PS 1, PS 2 и PS 3) подключены к катодным и анодным электродам С1, С2, A1, А2.
[0049] В представленных вариантах осуществления изобретения, показанных на Фиг. 15 и 16, продукт 150 катодного электрода С1 представляет собой щелочную электролизованную воду, которая выходит из системы. Продукт 150 может использоваться, например, как щелочное чистящее средство. В некоторых вариантах осуществления изобретения систему 10 используют для того, чтобы производить продукт катодного электрода С1 (т.е. продукт 150), имеющий рН приблизительно от 10 до 13, в том числе рН приблизительно от 11,5 до 12,5, и продукт катодного электрода С2 (т.е. щелочной питающий поток 160) с показателем рН более 7, например, приблизительно от 8 до 12.
[0050] В представленных вариантах осуществления изобретения, показанных на Фиг. 15-16, в частности на Фиг. 15, продукт катодного электрода С2 (т.е. щелочной питающий поток 160) направляют в анодную ячейку 15 электролизера для контакта с поверхностью анодных электродов A1, А2. Поток продукта катодного электрода С2 может разделяться приблизительно поровну (например, по 0,3 галлона) между анодными электродами А1, А2, что проиллюстрировано на Фиг. 15. При подаче электропитания положительный заряд анодных электродов A1, А2 притягивает отрицательные ионы (например, Cl-) из солевого раствора открытой ванны 16 (показанной, например, на Фиг. 1) через анионопроницаемую мембрану 42 анода (показанную, например, на Фиг. 3), и они попадают в поток продукта катодного электрода С2, в результате образуется кислая электролизованная вода (например, продукт 170). Сумма токов анодных электродов А1, А2 уравновешивает ток, подводимый к катодным электродам C1, С2. Например, если катодные электроды C1, С2 работают при суммарном токе 35 А, то анодные электроды A1, А2 должны работать при суммарном токе +35 А, например, к каждому анодному электроду может подводится ток равный 17,5 А.
[0051] Подача продукта катодного электрода к анодным электродам позволяет получить полезный эффект, заключающийся в повышении рН анодного продукта (т.е. кислой электролизованной воды), чтобы анодный продукт мог иметь оптимальный рН, например, составляющий приблизительно от 4,5 до 6, в том числе приблизительно от 5,2 до 5,5.
[0052] На Фиг. 17 и 18 показан дополнительный пример варианта осуществления изобретения, включающий обратный осмос (например, вариант реализации обратного осмоса), где подача воды осуществляется через систему умягчения воды и предусматривается использование источника 130 умягченной воды. Умягченная вода проходит через систему 210 обратного осмоса. Поток 212 продукта из системы 210 обратного осмоса подается в качестве питающей воды в катодную ячейку 14 электролизера и контактирует с катодными электродами C1, С2, каждый из которых используется для получения продукта 150 (т.е. щелочной электролизованной воды). В отличие от вариантов осуществления изобретения, представленных на Фиг. 15 и 16, в вариантах осуществления изобретения, изображенных на Фиг. 17 и 18, щелочная электролизованная вода не подается в анодную ячейку 15 электролизера или не контактирует с анодными электродами A1, А2. В некоторых вариантах осуществления изобретения умягченная вода, поступающая, например, из источника 130 умягченной воды, и обратный поток 214 из системы 210 обратного осмоса перемешиваются (например, с помощью смесительного устройства 220) и вступают в контакт с анодными электродами A1, А2, тем самым позволяя системе 210 обратного осмоса работать максимально эффективно в части использования воды. При использовании конструкция, раскрываемая в этом пункте и представленная на Фиг. 17 и 18, может функционировать с четным количеством источников питания (например, двумя: PS 1 и PS 2), PS 2), поскольку каждый из катодных и анодных электродов С1, С2, A1, А2 может работать в соответствующем токовом режиме (например, С1=17,5 А; С2=17,5 А; А1=+17,5 А; А2=+17,5 А), в отличие от режима ступенчатого тока, описанного в настоящей патентной заявке. Поэтому электрическая схема варианта осуществления изобретения с обратным осмосом может быть достаточно простой по сравнению с вариантами осуществления, представленными на Фиг. 15 и 16. Показатели расхода, указанные на Фиг. 15-18, по сути, являются примерами, и не должны толковаться как ограничения.
[0053] Из вышеизложенного понятно, что предложена система электролиза, используемая для получения экономичным способом более высоких объемов электролизованной воды в пределах установленных для оптимального использования диапазонов рН. Система содержит ячейки электролизера, имеющие уникальную конструкцию, позволяющую увеличить производство электролизованной воды и используемую для получения щелочной электролизованной воды в большем количестве, чем кислой электролизованной воды, в соответствии с требованиями потребителей. Ячейки дополнительно могут работать со ступенчатыми входными токами и в условиях перенаправления электролизованной воды для оптимального регулирования уровней рН конечных щелочного и кислого электролизованных продуктов.
Реферат
Изобретение относится к системам получения электрохимически активированных растворов для одновременного получения щелочной электролизованной воды и кислой электролизованной воды. Система электролиза для осуществления электролиза солевого раствора, содержащего воду и ионы щелочной соли, для получения кислой электролизованной воды и щелочной электролизованной воды содержит: - резервуар для наполнения его солевым раствором, содержащим катионы и анионы, и образования ванны с солевым раствором; - электролитический картридж, устанавливаемый в указанном резервуаре и погружаемый в ванну с солевым раствором; причем электролитический картридж содержит катодную ячейку и анодную ячейку; а катодная ячейка содержит пару катодных электродов, подключенных к источнику электропитания, отрицательно заряжающему катодные электроды; - держатель катодных электродов, поддерживающий катодные электроды в одной плоскости таким образом, что они расположены рядом на расстоянии друг от друга в боковом направлении в соответствующих герметичных камерах; - по меньшей мере одну катионопроницаемую мембрану, расположенную с одной стороны каждого из катодных электродов с образованием пространства между каждым катодным электродом и катионопроницаемой мембраной, через которое обеспечена возможность прохода катионов солевого раствора через эту катионопроницаемую мембрану; причем каждое из указанных пространств между катодными электродами и катионопроницаемой мембраной сообщается с впускным каналом для подачи пресной воды на впускном конце пространства и с выпускным каналом для выпуска химического чистящего продукта на выпускном конце пространства; пространства между катодными электродами и катионопроницаемой мембраной герметизированы относительно друг друга и солевого раствора так, что единственный путь для поступления солевого раствора в указанные пространства проходит через катионопроницаемую мембрану; а анодная ячейка содержит пару анодных электродов, подключенных к источнику электропитания, положительно заряжающему анодные электроды; - держатель анодных электродов, поддерживающий анодные электроды в одной плоскости таким образом, что они расположены рядом на расстоянии друг от друга в боковом направлении в соответствующих герметичных камерах; по меньшей мере одну анионопроницаемую мембрану, расположенную с одной стороны анодных электродов с образованием пространства между каждым анодным электродом и анионопроницаемой мембраной, через которое обеспечена возможность прохода анионов из солевого раствора через эту анионопроницаемую мембрану; причем каждое из указанных пространств между анодными электродами и анионопроницаемой мембраной сообщается с впускным каналом для подачи пресной воды на впускном конце пространства и с выпускным каналом для выпуска химического чистящего продукта на выпускном конце пространства; и указанные пространства между анодными электродами и анионопроницаемой мембраной герметизированы относительно друг друга и солевого раствора так, что единственный путь для поступления солевого раствора в указанные пространства проходит через анионопроницаемую мембрану. Технический результат - повышение выхода электролизованной воды в заданных диапазонах pH. 5 н. и 14 з.п. ф-лы, 18 ил.
