Электрохимическая активация – это технология и техника электрохимического синтеза и последующего использования в разнообразных технологических процессах метастабильных веществ в виде воды или растворов с аномальной химической активностью вместо традиционных растворов химических реагентов. Электрохимическая активация копирует химические процессы в Природе и ускоряет их в тысячи раз.
Электрохимическая активация позволяет обеспечить эффективную очистку и кондиционирование больших и малых объемов питьевой воды, сточных вод, воды плавательных бассейнов, дезинфекцию высокого уровня экологически чистыми растворами, которые после использования превращаются в обычную пресную воду. Такие растворы находят применение при обработке любых объектов – от медицинских инструментов до помещений для хранения овощной и зерновой продукции, животноводческих и птицеводческих ферм, убойных цехов и чистых помещений для приготовления мясной и рыбной пищевой продукции, а также для обеззараживания малых и больших территорий и объектов, занятых полями фильтрации, свалками мусора, в том числе сибиреязвенными захоронениями.
В период работы по заказам компании ДЕЛФИН АКВА (2011 – 2015) конструкторским бюро Института были разработаны электрохимические реакторы корпусного типа. Данное техническое решение позволило исключить разрушение трубчатых керамических диафрагм при значительном внутреннем давлении в процессе фильтрации из анодной камеры в катодную. Смена полярности электрода внутри диафрагмы с положительной на отрицательную позволила во много раз сократить разрывы диафрагмы, но возникла необходимость поместить анодную камеру в герметичный диэлектрический корпус. Именно такая конструкция электрохимических элементов позволила создать установки с технологией ионселективного электролиза большой производительности и длительным сроком службы керамических диафрагм, превышающим 20 000 часов непрерывной работы.
Полимерный корпус (ПВХ) армированный изнутри фторопластом Ф4 с блоком анодов, расположенных по углам шестигранников или квадратов, заполняющих всю площадь внутреннего сечения, в центре каждого из которых — катодная сборка в виде катода, с герметично установленной на нем диафрагмой.
Новые возможности для конструирования систем появились в 2016 году благодаря окончанию исследований и началу применения керамических диафрагм с новыми свойствами. В конструировании технических электрохимических систем диафрагма является главным элементом, определяющим всю конструкцию электрохимического реактора, всей технической электрохимической системы и целый ряд технологических возможностей эксплуатации электрохимического реактора.
Благодаря созданным в 2016 году техническим электрохимическим системам АКВАТРОН, значительно возросла эффективность использования технологии электрохимической активации в ее основной изначальной сфере применения: многократном сокращении расхода невозобновляемых сырьевых ресурсов, которые используются для синтеза химических реагентов. Замена традиционных химических реагентов на электрохимически активированные воду или растворы, синтезируемые на месте применения из воды различной степени минерализации позволяет полностью исключить или значительно сократить количество отходов производства.
С появлением систем АКВАТРОН диапазон применения электрохимической активации расширился. Высокопроизводительные и экономичные системы АКВАТРОН используются в новом качестве, поскольку способны обеспечить на месте применения непрерывный синтез в любом необходимом количестве важнейших продуктов химической промышленности, таких, как хлор, каустическая сода, концентрированные соляная и серная кислоты, надсерная кислота и другие химические продукты.
Использование химически стойкой, не подверженной старению и потере функциональных свойств, керамической диафрагмы в проточных элементах МБ вместо полимерной мембраны дает возможность реализации широкого круга разнообразных технологических процессов, недоступных при использовании других типов электрохимических систем.
В период с 2016 по 2020 годы было создано новое поколение электрохимических модульных элементов МБ, представленное различными модификациями в зависимости от типа реализуемого технологического процесса, области применения (назначения), условий эксплуатации.
Технологический приоритет в разработке ЭХА систем
Системы АКВАТРОН – собирательное название технических электрохимических систем с элементами МБ, созданных на основе новых технологические концепций и конструкторских решений в соответствии с нормативными документами 2016 года: «Элементы проточные электрохимические модульные МБ для электролиза воды и водных растворов электролитов. Групповые технические условия ТУ 3614-015-77350578-2016» и «Установки АКВАТРОН для электролиза воды и водных растворов электролитов. Групповые технические условия ТУ 3614-017-77350578-2016».
Традиционные наименования электрохимического оборудования, такие, как ИЗУМРУД, СТЭЛ-АНК-СУПЕР, АКВАХЛОР, ЭКОХЛОР и другие, произведенные после 2016 года в соответствии с указанными нормативными документами, получили дополнительное наименование АКВАТРОН-01, АКВАТРОН-05, АКВАТРОН-20, АКВАТРОН-25 и т.д. Изменения в обозначении электрохимических систем позволили упорядочить классификацию типовых узлов и деталей, а также унифицировать элементы электрохимических реакторов и вспомогательного оборудования. Для потребителей изменения в обозначении облегчают выбор и ориентирование в технических характеристиках оборудования и в параметрах синтезируемых продуктов. Новые технологические особенности систем АКВАТРОН с элементами МБ помимо высоких плотностей тока и низких напряжений на электродах характеризуются наличием систем интенсификации электрохимических процессов за счет выравнивания температуры, концентрации и газонаполнения по всей длине электродной камеры реактора при заданном перепаде давления на диафрагме; использованием технологических приемов и технических систем, направленно изменяющих фазовое состояние продуктов электрохимических реакций; применением технологий выбора химического состава вспомогательного электролита для управления физико-химическими параметрами среды без изменения ее элементного химического состава при униполярном электрохимическом воздействии.
Разработчиком электрохимических систем АКВАТРОН является научно производственная компания — Институт электрохимических систем и технологий Витольда Бахира. Деятельность Института основана на изобретениях Витольда Бахира, основателя научно-технического направления, именуемого электрохимической активацией (electrochemical activation). Основной задачей Института является разработка и создание принципиально новой электрохимической техники, обеспечивающей эффективное решение актуальных задач в медицине, промышленности, сельском хозяйстве и других областях.
Уникальность разработок Института обусловлена непосредственным участием автора электрохимической активации и руководимого им многие годы коллектива ученых и специалистов в разработке и производстве электрохимических систем различного назначения, что позволяет компании занимать лидирующие позиции в мире в области создания и внедрения «зеленых» технологий, определяющих будущее человечества.
НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ, ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ, ПОЗВОЛИВШИЕ СУЩЕСТВЕННО УЛУЧШИТЬ ДОСТИГНУТЫЕ К 2016 ГОДУ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ:
- Производительность элементов МБ нового поколения возросла от 4 до 12 раз. Время непрерывной работы достигло 50 000 часов.
Элементы МБ нового поколения позволяют производить электролиз солевого раствора при давлении 6 – 7 бар, что дает возможность получать жидкий хлор без компрессии. - Применение принципов ионселективного электролиза с диафрагмой (ИСЭД) в конструировании установок СТЭЛ-АНК-СУПЕР позволило вывести на новый качественный уровень параметры АНОЛИТА АНК СУПЕР при одновременном увеличении в несколько раз производительности установок СТЭЛ-АНК-СУПЕР (до 2000 литров в час).
- Достигнута значительная (до 80 %) унификация гидравлических схем установок АКВАХЛОР, ЭКОХЛОР, СТЭЛ-АНК-СУПЕР, ИЗУМРУД — УНИВЕРСАЛ, что позволило повысить надежность технических электрохимических систем и качество производимых ими продуктов.
НОВЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ: ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ.
Главная роль в создании электрохимических реакторов безусловно принадлежит перегородке (диафрагме или мембране), отделяющей анодную камеру от катодной. Именно механические, геометрические, теплофизические, химические, физические и физико-химические параметры, в том числе фильтрационные, электроосмотические, сорбционные, каталитические и электрокаталитические свойства определяют пути конструирования электрохимического реактора, — либо универсального, либо (чаще всего) предназначенного для использования в определенных технологических процессах.
скоростью электромиграции катионов в полимерном электролите. Перепад давления на
мембране отсутствует. Процесс не обеспечивает полное разложение поступающего в
анодную камеру раствора хлорида натрия, требует ввода в катодную камеру
дистиллированной воды.
катионактивную МЕМБРАНУ под действием суперпозиции поля давления (от анода к
катоду) и электрического поля. Параметры процесса переноса заряда через диафрагму
определяются скоростью фильтрационного потока раствора электролита в пористой среде,
представленной инертными оксидами металлов. Процесс обеспечивает непрерывное и
полное электролитическое разложение раствора хлорида натрия на хлор, раствор
каустической соды и водород.
анионактивную МЕМБРАНУ под действием суперпозиции поля давления (от катода к
аноду) и электрического поля. Процесс обеспечивает производство из раствора хлорида
натрия раствора каустической соды, водорода и хлорноватистой кислоты с
концентрацией до 30 %.
Производительность по каустической соде: 3,4 кг/ час;
Выход католита (18% водный раствор NaOH): 19 л / час;
Потребляемая мощность: 10 кВт;
Сила тока: 2400 А; Напряжение: 5В; Размеры (ДхШхВ): 1750х600х400 мм;
Вес: 120 кг. Расход соли (хлорида натрия): 5,4 кг / час;
Расход соли в растворе (270-300 г / л): 18-20 л / ч. Обеспечивает
обеззараживание до 72 000 м3 воды в сутки.
Производительность по хлору установок АКВАХЛОР, отнесенная к площади занимаемого ими помещения
Потребляемая электрическая мощность 300 и 900 ватт. 2018
Установки АКВАХЛОР минимизируют риски, связанные с типичными авариями на производствах, применяющих жидкий хлор и не требуют применения целого ряда стандартных мероприятий по безопасности
Источник тока встроенный (электросеть переменного тока 110 – 240 вольт), либо внешний: постоянный ток напряжением 12 или 24 вольт (аккумулятор автомобиля). 2017
АНОЛИТ — это лучшее экологически чистое средство для обеззараживания воды
Анолит АНК СУПЕР используется для обработки помещений, а также исходных сырья и материалов.
Типовой гидравлический терминал подключения модульных установок для синтеза хлора и хлорпродуктов производительностью более 1 кг в час по хлору. 2017
Установка ОКСИТРОН – 2500 Э, 2021
Электрохимическая система АКВАТРОН-15-500 (2021)
УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИ АКТИВИРОВАННОЙ ДЕИОНИЗОВАННОЙ И СЛПБОМИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ВОДЫ С ВЫСОКИМИ И НИЗКИМИ ЗНАЧЕНИЯМИ РН
Потребляемая электрическая мощность, кВт: 40
Производительность по электрохимически активированному анолиту или католиту, л/ч: от 500 до 1000
Диапазон регулирования рН, ед. рН: от 1 до 13.
Диапазон регулирования окислительно-восстановительного потенциала, мВ: от +1250 до – 850.
Автономная система охлаждения электродов при помощи выносного теплообменного агрегата.
Циркуляция анолита и католита в системе с помощью встроенных мембранных насосов с превмоприводом от компрессора.
Модифицированные установки АКВАТРОН-15 используются для синтеза надсерной, надугольной, надуксусной, надлимонной и надмолочной кислот с концентрацией от 0,01 до 0,1 моль/л.
Электрохимические системы АКВАТРОН в технологии очистки, обеззараживания и кондиционирования воды
Развитие систем АКВАТРОН в области очистки питьевой воды, сточных вод и воды плавательных бассейнов происходит в соответствии со следующими принципами: увеличение производительности, уменьшение затрат труда, времени, энергии и материалов, повышение эффективности и качества по функциональному назначению.
Механизм процессов очистки пресной воды в Природе представлен двумя основными процессами: окислительно-восстановительными реакциями и фильтрацией. Другие процессы – сорбция, ионный обмен, коагуляция, флокуляция, коалесценция, седиментация, являются дополнительными и обычно протекают во время фильтрации очищаемой воды сквозь почвенные слои, массивы осадочных и горных пород.
Учитывая необходимость создания высокопроизводительной эффективной технической системы для очистки воды, обладающей максимальной простотой и минимальным количеством элементов, концепция аппаратурного оформления процесса очистки включала следующие стадии: 1) окисление и обеззараживание; 2) фильтрация; 3) коагуляция, флокуляция, гидратообразование; 4) фильтрация, сорбция; 5) доокисление, защита воды; 6) фильтрация.
Данная концепция вначале была реализована в устройствах, принцип работы которых показан на схеме очистки воды с активными электрохимическими и пассивными фильтрационными элементами.
Установка ИЗУМРУД-УНИВЕРСАЛ-250 выполнена по технологической схеме EM-DIRECT. Испытания опытного образца на пресной воде и минерализованных водных растворах подтвердили справедливость выбранной концепции построения системы очистки воды (2018).
Очистка и обеззараживание воды в технологическом процессе EM-DIRECT сопровождаются и обусловлены следующими химическими реакциями.
Вода вначале поступает в анодную камеру проточного диафрагменного электрохимического реактора. Давление в анодной камере МБ1 больше, чем в катодной камере. Первая активная стадия очистки воды – первичная анодная электрохимическая обработка:
В анодной камере элементов МБ процесс окисления протекает практически мгновенно благодаря его совмещенным свойствам реактора идеального смешения и идеального вытеснения. Также в анодной камере уничтожается микробная микрофлора всех видов и форм, микробные токсины, другие органические соединения, в том числе, гербициды, пестициды, фармпрепараты.
Все нерастворимые соединения – скоагулировавшие органические соединения, а также оксиды железа, марганца – задерживаются фильтром F1, который выполняет функцию первой пассивной стадии очистки воды.
Пассивные стадии технологии «EM-DIRECT» представлены фильтрацией, флотацией и сопровождающими их процессами коагуляции, флокуляции, гидратообразования, окисления, образования осадка и сорбции.
Производительность по очищенной воде 250 л/ч
Потребляемая электрическая мощность – до 1000 Вт
2018.
Вторая активная стадия очистки воды – катодная электрохимическая обработка в первом реакторе.
В результате катодной обработки воды в первом элементе МБ рН воды на выходе достигает значений 7,5 ÷ 8,2.
Третья активная стадия очистки воды – вторичная катодная электрохимическая обработка.
После выхода из катодной камеры второго элемента МБ вода приобретает рН в пределах около 9.
Ионы тяжелых металлов, а также железа, меди, цинка, алюминия превращаются в нерастворимые гидроксиды и отделяются на фильтре F2 (вторая пассивная стадия очистки воды). Вода насыщается водородом и становится пригодной к вводу последней порции оксидантов в анодной камере элемента МБ2.
Производительность установки 1000 литров в час, максимальное напряжение на элементах МБ-11Т реактора – 12 вольт, максимальный ток – 50 ампер. Установка снабжена системой промывки реакторов раствором из смеси соляной и серной кислот, который образуется из очищаемой воды в специальном электрохимическом блоке и накапливается в пластиковой емкости объемом 10 литров.
2018
Четвертая активная стадия очистки воды – вторичная анодная электрохимическая обработка.
Органический марганец и железо:
В анодной камере элемента МБ2 происходит окисление органического двухвалентного
железа и марганца, доокисление с одновременным укрупнением частиц всех тех примесей,
которые прошли предыдущие ступени. Скоагулировавшие частицы отделяются на фильтре
F3, который представляет собой третью пассивную стадию очистки воды.
Слева направо F1, F2, F3 в соответствии с обозначениями на принципиальной схеме установки.
Окрашивание фильтров с различной интенсивностью и с различными цветовыми оттенками происходит в первые минуты работы установки. Такой цвет при обретают фильтры установки ИЗУМРУД-УНИВЕРСАЛ-250 при работе в течение 4 – 5 часов на пресной воде из скважины с общей минерализацией 0,3 г/л и содержанием ионов железа 1,5 мг/л.
Недостатки установки ИЗУМРУД-УНИВЕРСАЛ-250 и технологии EM-DIRECT
- Производительность установки не превышает 250 литров в час при использовании двух
реакторов МБ-26 с диафрагмой длиной 350 мм при штуцерах с ДУ = 8 мм. - Сила тока не превышает 4 ампер при напряжении 50 – 60 вольт, в конце цикла перед
очисткой катодной камеры напряжение достигает 100 вольт при силе тока 2,5 – 3 ампера. - Требуется периодическое удаление катодных отложений пятипроцентным раствором
соляной кислоты объемом около 3 литров. Частота операции зависит от химического
состава воды и суточного объема очищаемой воды. На воде Истринского района
Московской области при расходе 1,0 – 2,0 куб. метров в сутки промывка требовалась
каждые две недели. - Недостаток хлорсодержащих оксидантов при обработке сульфатно-гидрокарбонатнокальциево –магниевой воды, которая имеется во многих местах мира и, в частности, в
Истринском районе Московской области. Содержание хлорид-ионов в исходной воде
составляет всего 4 – 5 мг/л при общей минерализации 0,3 г/л.
ТЕХНОЛОГИЯ EM-TURBO
С целью устранения указанных недостатков и в развитие научно-технических планов по
совершенствованию технологии очистки и кондиционирования воды были выполнены
экспериментальные работы и теоретические исследования, в результате которых в 2019 году было
найдено новое технико-технологическое решение, принципиально изменившее конструкцию
электрохимической системы и позволившее обеспечить высококачественную очистку и
кондиционирование воды практически при любых объемных расходах – от нескольких литров в час до сотен и тысяч кубометров в час — при весьма малых затратах электроэнергии и исходных
реагентов, используемых для работы электрохимической системы. Новое технологическое решение
получило название «EM-TURBO». Данная технология подобна технологии EM-DIRECT, поскольку
включает те же активные и пассивные стадии: 1) окисление и обеззараживание, 2) фильтрация, 3)
гидратообразование и коагуляция/флокуляция, 4) фильтрация, 5) окисление и обеззараживание, 6)
фильтрация. Однако, технология EM-TURBO обладает существенными преимуществами: 1)
практически не требуется очистка электрохимических реакторов; 2) во много раз меньше расход
электроэнергии; 3) возможность регулирования химического состава продуктов электрохимических
реакций; 4) возможность применения технологии EM-TURBO для расходов очищаемой воды от
единиц литров в час до сотен и тысяч кубометров в час.
Максимальная производительность по очищенной воде – 700 литров в час. Расход электроэнергии на очистку – 25 ватт на 1,0 куб. метр.
Экспериментальный образец эксплуатировался 8 месяцев. За это время было очищено 250 кубометров воды. Электрохимический реактор не подвергался очистке кислотой. Было израсходовано 18 картриджей двадцатидюймовых фильтров
Технологическая схема очистки и кондиционирования пресной воды в установке ИЗУМРУД-УНИВЕРСАЛ – ТУРБО-800
Технология очистки и кондиционирования воды EM-TURBO может использоваться для широкого
спектра типов воды (морской и артезианской воды, бытовых и промышленных сточных вод, воды
плавательных бассейнов и градирен). В зависимости от конкретной задачи, в технологии EMTURBO могут быть использованы электрохимические установки специального назначения или
серийные установки типа АКВАХЛОР или ЭКОХЛОР. Сложные схемы водоподготовки на
муниципальных станциях питьевого водоснабжения могут быть модифицированы без существенных изменений в типовых сооружениях. Например, схема подготовки питьевой воды на Рублевской станции водоподготовки может быть существенно улучшена за счет применения установок АКВАХЛОР.
Количество и состав вводимых электрохимически синтезированных реагентов при использовании
технологии EM-TURBO регулируют в зависимости от химического состава очищаемой воды
посредством изменения силы тока в электрохимическом реакторе, химического состава
вспомогательного водного раствора электролитов, скоростью подачи исходных растворов в
электродные камеры реактора, перепадом давления на диафрагме реактора и дозированным
удалением избытка активных электрохимически синтезированных реагентов — католита или
анолита.
Установка ИЗУМРУД – УНИВЕРСАЛ — 700 для очистки и кондиционирования воды в коттеджах, 2020.
Исследования новых принципов конструирования электрохимических модульных элементов МБ, снабженных диафрагмами из оксида алюминия в альфа форме, были организованы в конце 2015 года. Опытные образцы электрохимических элементов показали принципиальную возможность существенного увеличения производительности реакторов при одновременном уменьшении затрат электроэнергии. Однако, поскольку конструктивные особенности электрохимических элементов находятся в абсолютно тесной связи с физико-химическими, гидравлическими, тепловыми и другими параметрами физико-химических процессов в реакторе, необходимо выполнить экспериментальные исследования с целью оптимизации конструкции. Такая работа является совершенно необходимым этапом при конструировании электрохимических систем и требует исследования различных конструктивных решений.
Представленные на фото реакторы являются первыми образцами, использованными для экспериментального обоснования теоретических представлений о процессах энерго- и массопереноса при работе на электролитах различного химического состава и концентрации, при различных перепадах давления на диафрагме, плотности тока, скорости протока. Экспериментально найденные данные использовались в дальнейшем для создания реакторов промышленного типа для различных типов технологических процессов.
- 1-й период, 1972 – 1976 гг.
- 2-й период, 1976 – 1985 гг.
- 3-й период, 1985 – 1989 гг.
- 4-й период, 1989 — 2015 гг.
- 5-й период. 2015 – по настоящее время