УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК A61L9/20 A61L9/22 A01K29/00 C02F1/32 C02F1/78 

Изобретение относится к оборудованию подготовки жидкости и кормов для хозяйственно-питьевого, сельскохозяйственного, бытового и технического потребления, в частности к устройствам для обработки ультрафиолетовым (УФ) излучением и озоном, и может быть использовано в быту и индивидуальными потребителями, на предприятиях фармакологии, медицины, сельского хозяйства, ветеринарии, микроэлектроники, на транспортных средствах и др.

Известна установка для обеззараживания жидкости, содержащая камеру с патрубками для подвода и отвода жидкости, лампу ультрафиолетового излучения с защитным кварцевым чехлом, расположенные коаксиально в камере, источник тока и блок управления (Заявка ФРГ N 3414870, 1985).

В этой установке патрубки для подвода и отвода жидкости расположены друг против друга по диагонали в вертикальной плоскости, исключая попадание УФ-излучения наружу, а сама лампа УФ-излучения подключена к бортовой установке или аккумулятору 12 В (24 В) через преобразователь постоянного напряжения в переменное. Интенсивность излучения лампы УФ-излучения регулируют посредством блока управления, связанного с чувствительным элементом или расходомером, а сам режим работы лампы контролируют световым сигналом.

Данная конструкция для обеззараживания жидкости использует только УФ-излучение, а образующийся озон в воздушной полости между лампой и защитным кварцевым чехлом не реагирует с водой, в связи с чем качество обработки жидкости низкое.

Этот недостаток устраняет известная установка для обеззараживания жидкости, в том числе кормов и воды, содержащая две сообщающиеся между собой камеры с лампами УФ-излучения, при этом первая камера соединена с источником воздуха, а вторая, выполненная с защитным кварцевым чехлом, соединена с патрубками для подвода и отвода жидкости, причем лампы УФ-излучения подсоединены к сети переменного тока посредством общепринятой схемы (балластный дроссель пускатель) (Международная заявка WO 92/10429, заявлена 06.12.91).

В этой установке озон, полученный в первой камере, барботируют в поток жидкости между стенками камеры и защитным кварцевым чехлом. Однако, как отмечается в описании заявки, УФ-облучение воздуха является слабым генератором озона, в связи с чем установка используется для дополнительной стерилизации жидкостей при малой концентрации озона. При этом наличие двух источников УФ-излучения усложняет конструкцию, повышает энергозатраты и габариты установки.

Наиболее близким изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является установка для обеззараживания жидкости, содержащая камеру с патрубками для подвода и отвода жидкости, лампу УФ-излучения с двумя токовводами и защитным кварцевым чехлом, полость между которыми соединена с источником воздуха и через смеситель с камерой, деаэратор, установленный на патрубке отвода жидкости, источник тока и блок управления [1]
В данной установке преимущества совместной обработки жидкости УФ-излучением и озоном реализуются в большей степени, так как жидкость с пузырьками воздушно-озоновой смеси перемешивают в зоне УФ-излучения и обеззараживают по принципу так называемого синергетического эффекта. Лампа УФ-излучения запитана от источника переменного тока (220 В, 50 Гц) по общепринятой схеме (балластный дроссель пускатель), а сама установка реализует проточный метод обработки. Однако известная конструкция, использующая для получения озона УФ-излучение, не способна производить достаточные для реализации синергетического эффекта концентрации озона. Например, для бактерицидных ламп ДБ-30 с помощью УФ-излучения в линии 254 нм около 10 Вт максимально достижимая концентрация озона в воздухе не более 0,01% а поскольку концентрация озона в газовой фазе определяет растворимость (согласно закону Генри) и, следовательно, концентрацию озона в жидкости, то при комнатной температуре последняя будет очень низкой (6 х 10^-3 мг/л); так как мало время контакта с жидкостью (порядка секунд), которое обусловлено проточным методом обработки и использованием в устройстве эжектора механизма, требующего для нормальной работы большой скорости движения жидкости.

Эффективность биологической и химической очистки жидкости озоном определяется так называемой СхТ величиной, где С концентрация озона в воде, мг/л; Т время контакта озона с жидкостью, мин. Для большинства загрязнений биологической природы (бактерий, вирусных и клеточных организмов) и вредных химических примесей (солей тяжелых металлов, хлорорганики и цианистых соединений) величина СхТ составляет 0,5-5 мг/л·мин с гарантией дезактивации 99,9% что означает при малых временах Т (для проточных систем) большие значения С порядка 10-50 мг/л, принципиально недостижимые при УФ-производстве озона.

Механизм синергетического эффекта заключается в том, что озон, растворенный в жидкости, под действием УФ-излучения частично диссоциирует, образуя активные атомы синглетного кислорода, которые очень быстро (по цепной схеме) реагируют с водой, в результате чего образуются перекисные радикалы, по окислительному и бактерицидному действию превосходящие озон, а по концентрации значительно превосходящие долю диссоциированного озона в силу образования их в результате цепных реакций. Если же концентрация озона, растворенного в жидкости, невелика (ниже пороговой величины ≈0,5 мг/л), что имеет место при получении озона посредством УФ-излучения, то цепной механизм не реализуется, концентрация перекисных радикалов невелика и, следовательно, синергетический эффект не проявляется.

Технический результат изобретения состоит в повышении качества очистки жидкости за счет полной реализации синергетического эффекта при увеличении концентрации перекисных радикалов в обрабатываемой жидкости.

Эффект достигается тем, что в установке для обеззараживания жидкости, содержащей корпус камеры обработки с входным и выходным патрубками для подвода и отвода жидкости, бактерицидную лампу УФ-излучения с защитным кварцевым чехлом, полость между которыми соединена с источником воздуха или кислорода, смеситель, установленный на входном патрубке, деаэратор, установленный на выходном патрубке, блок управления, выход которого соединен с токовводами лампы, согласно изобретению в корпусе установлено перемешивающее устройство, а в деаэраторе установлены светофильтр и фотодетектор, соединенные оптически через световод с лампой, выход фотодетектора соединен с входом блока управления, деаэратор через конвертор озона соединен с входом блока управления, кроме того в нее введены входной фильтр, озонатор и осушитель, вход которого соединен с полостью кварцевого защитного чехла, а выход его и входного фильтра соединены с входами озонатора, выходы которого соединены с входами смесителя, электрод озонатора соединен с входом блока управления, который содержит формирователь импульсов, коммутатор, накопитель, управляемый генератор импульсов и сумматор, входы которого соединены с входами блока управления, а выход соединен с входом управляемого генератора импульсов, выходы которого и накопителя через коммутатор соединены с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с выходом блока. Для повышения эффективности обработки жидкости установка снабжена абсорбционным фильтром, установленным на выходе деаэратора, тангенциально расположенными относительно корпуса камеры обработки входным и выходным патрубками, а перемешивающее устройство состоит из лопастей вращения и жестко укрепленного на них спирального держателя, в гнезда которого установлены сетчатые лопасти, поверхность которых, а также лопастей вращения, покрыта слоем фотокатализатора окисления. Кроме того, установка снабжена тепловым датчиком концентрации остаточного озона, установленным в конверторе, при этом выход теплового датчика соединен с входом блока управления.

По сравнению с прототипом, использующим получение озона в концентрациях ≈0,01% конструктивные особенности озонатора малых размеров в совокупности с параметрами его электропитания, наличием охлаждения наружного электрода и системы подготовки воздуха перед входом в озонатор позволяют получать озон в концентрации до 2% (из воздуха), что с одной стороны в десятки раз превышает пороговые по синергизму значения концентрации озона, а с другой стороны снижают требования к временам обработки Т ниже величин, характерных для проточных реакторов, и тем самым реализовать синергетический механизм совместного воздействия (УФ-излучение, фотокатализатор окисления и озон) в процессе очистки и обеззараживания жидкости.

В отличие от известной схемы питания источника УФ-излучения (бактерицидной лампы), в данной конструкции предложено импульсное питание током высокого напряжения (3.6 кВ) и частоты (до 2 кГц) совместно с озонатором от одного блока питания. Конструктивные элементы, в частности управляемый генератор импульсов и сумматор, известны и используются в озонаторах (Заявка Польши N 259491, опублик. 30.12.86; Авторское свидетельство СССР N 981955, 1981). В предложенной конструкции использование сетчатых лопастей-спиралей с нанесенным на их поверхность слоем фотокатализатора окисления (например, двуокиси титана ТiO₂) позволяет, с одной стороны, под действием УФ-излучения лампы участвовать в процессе окисления примесей в результате образования на поверхности фотокатализатора перекисных радикалов, а с другой стороны повысить насыщение жидкости озоном за счет дробления газовых пузырьков и увеличения времени их всплытия в камере обработки жидкости. Такое конструктивное выполнение, помимо организации классического способа получения озона в коронном разряде через диэлектрик между двумя проводящими поверхностями и использования фотокатализатора окисления, смесителя и лампы УФ-излучения, позволяет получить максимально возможную концентрацию перекисных радикалов ОН как в результате синергетического механизма при фотолизе озона в жидкости, так и на поверхности фотокатализатора, что дает возможность повысить качество очистки и обеззараживания жидкости за один цикл обработки и, в отличие от известных установок, вести обработку жидкости как в проточном, так и в непроточном режимах. Оснащение установки световодом и фотодетектором с фильтром-трансформатором, установленными в верхней части деаэратора, и тепловым датчиком, расположенным в конверторе, в заявленной совокупности и обеспечивает не только контроль за концентрацией озона на выходе деаэратора и регулировку количества поглощенного озона в зависимости от загрязненности жидкости, но и позволяет судить об эффективности процесса обеззараживания и очистки жидкости по количеству поглощенного озона.

Анализ патентной и технической литературы не выявил аналогичных установок, использующих импульсное питание током высокого напряжения и частоты ламп УФ-излучения для реализации синергетического эффекта в установках для обеззараживания жидкости.

На чертеже показана предлагаемая установка.

Установка содержит корпус 1 с установленными на нем тангенциально входным и выходным патрубками 2 и 3 для подвода и отвода жидкости, бактерицидную лампу 4 ультрафиолетового излучения, защитный кварцевый чехол 5, крышку корпуса 6, крышку чехла 7, изоляционные втулки 8, кольцевые выступы 9, патрубок 10 подачи газа (воздуха или кислорода), полость 11 защитного чехла 5, патрубок 12 отвода газа, осушитель 13 газовой смеси, газовые трубки 14-16, озонатор 17, смеситель 18, входной фильтр 19, деаэратор 20, абсорбционный фильтр 21, фотодетектор 22, светофильтр 23, световод 24, выключатель 25, блок 26 управления, включающий управляемый генератор 27 импульсов, сумматор 28, накопитель 29 энергии, коммутатор 30, формирователь 31 импульсов, выполненный, например, на высоковольтном трансформаторе, и соединенный с высоковольтным электродом 32 озонатора и токовводом 33 лампы 4. Установка также содержит спиральный держатель 34 с гнездами 35, сетчатые лопасти 36, лопасти вращения 37, конвертор озона 38, включающий тепловой датчик 39 концентрации остаточного озона. Внутренняя поверхность корпуса 1, контактирующая с жидкостью, выполнена полированной или с покрытием, обеспечивающим эффективное использование отраженного УФ-излучения в потоке обрабатываемой жидкости.

Установка работает следующим образом.

Жидкость от источника водозабора поступает во входной фильтр 19, где очищается от механических примесей. Из входного фильтра 19 она проходит по рубашке охлаждения озонатора 7, далее на вход смесителя 18.

Выключателем 25 подают питание в блок 26 управления, при этом происходит заряд накопителя 29 энергии. Управляемый генератор 27 подает сигнал запуска на управляющий вход коммутатора 30, в результате чего происходит разряд накопителя 29 на первичную обмотку высоковольтного формирователя 31. При тактовой частоте ≈3 кГц управляемого генератора импульсов 27 на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора формирователя 31 возникает импульсное напряжение 4.6 кВ той же частоты, которое подают на соединенные между собой токоввод 33 лампы 4 и высоковольтный электрод 32 озонатора 17. При этом начинает работать лампа 4 и в разрядной полости озонатора 17 зажигается коронный разряд, обеспечивающий получение озона. В смесителе 18 происходит смешивание с воздушно-озоновой смесью, поступающей из озонатора 17, в разрядную полость которого вступает обеззараженный УФ-излучением в полости 11 и осушенный в осушителе 13 воздух и затем через входной тангенциальный патрубок 2 в камеру обработки корпуса 1, где происходит насыщение жидкости озоном, окисление содержащихся в ней примесей и обеззараживание путем совместного воздействия озона и излучения УФ-лампы 4. Достижение и усиление синергетического эффекта осуществляется не только путем производства достаточного количества озона при использовании отдельного озонатора, но также применением перемещающего устройства, включающего в себя лопасти вращения 37, спиральный держатель 34 с гнездами 35 и сетчатые лопасти 36, которое, с одной стороны, увеличивает эффективность насыщения жидкости озоном, с другой стороны служит носителем катализатора окисления примесей, который нанесен на поверхности лопастей 36 и 37. Таким образом в корпусе 1 под действием УФ-излучения лампы 4 на поверхности лопастей идут активные процессы фотоокисления, где фотокатализатор, как полупроводник, является источником "дырок", окислительный потенциал которых сравним с окислительным потенциалом ОН.

Кроме того, перемешивание жидкости при вращении лопастей 36 и 37 обеспечивает получение более мелких газовых пузырьков и увеличивает эффективность ввода в нее озона непосредственно в зоне УФ-облучения. Излишек озона, неиспользованный в процессе обработки жидкости, выходит через деаэратор 20 и, далее, в конвертор 38 озона, где превращается в кислород. При этом выделяется теплота, которую фиксирует тепловой датчик 39, связанный с сумматором 28. Кроме того через световод 24 и слой воздушно-озоновой смеси в деаэраторе 20, УФ-излучение от лампы 4 попадает на фильтр-трансформатор 23, а затем на фотодетектор 22, сигнал с которого поступает на сумматор 28, вырабатывающий разностный сигнал, который поступает на вход управляемого генератора 27 импульсов, увеличивая (уменьшая) его рабочую частоту, что приводит к увеличению (уменьшению) электрической мощности, вкладываемой в коронный разряд, до величины, обеспечивающей заданное значение концентрации озона в деаэратор 22.

Это позволяет непрерывно и плавно регулировать и контролировать степень обеззараживания и очистки жидкости на отводящем патрубке 3.

Конструктивные особенности установки, по сравнению с прототипом, повышают качество очистки жидкости за счет увеличения концентрации озона как в газовой среде, так и в обрабатываемой жидкости, при этом обработку жидкости можно производить как в проточном, так и в непроточных режимах при электропитании от сети переменного тока или источника постоянного тока (например, аккумуляторов). Это дает возможность использовать установку не только в сельском хозяйстве, ветеринарии и быту, но и на транспортных средствах (автомобилях, морских и речных судах, космических кораблях и т.п.).

Как показали испытания установки, концентрация озона на выходе из разрядной полости составляет 1,5.3% или 8.12% при разряде соответственно в воздухе или кислороде, а его содержание в жидкости достигает 40 мг/л, что обеспечивает максимальное использование синергетического эффекта. Так, при исходной концентрации в воде бактерий кишечной палочки E-coli 10⁴ бактерий/л после обработки жидкости в установке coli-индекс не превышал 1, т.е. соответствовал ГОСТ 2874-82. При этом снижается на 99,9% концентрация железа, фенолов и ДДТ, улучшаются характеристики жидкости, например, вкусовые качества воды, за счет обогащения кислородом

Использование: оборудование для подготовки жидкости и кормов для хозяйственно-питьевого, сельскохозяйственного, бытового и технического потребления, в частности устройства для обработки жидкости ультрафиолетовым излучением и озоном, может быть применено в сельском хозяйстве и ветеринарии, в быту и индивидуальными потребителями, на предприятиях фармакологии, медицине, микроэлектронике, при производстве жидких пищевых продуктов, на транспортных средствах. Сущность изобретения: блок управления подает импульсное напряжение на соединенные между собой токовводы озонатора и лампы Уф-излучения. При этом жидкость, поступающая в устройство, перемешивается в смесителе с озоном и, поступая в камеру обработки корпуса, подвергается совместному воздействию озона, ультрафиолетового облучения и фотокатализатора окисления, нанесенного на лопасти вращения и сетчатые лопасти перемешивающего устройства, интенсифицирующего перемешивание жидкости с газоозоновой смесью непосредственно в зоне Уф-облучения, позволяя максимально использовать синергетический эффект при обеззараживании жидкости. Использование системы контроля и регулировки концентрации озона с помощью фотодетектора и теплового датчика, связанных с блоком управления, позволяет непрерывно и плавно регулировать и контролировать степень обеззараживания и очистки жидкости на отводящем патрубке. 6 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТАНОВКА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТИ, содержащая корпус с входным и выходным патрубками для подвода и отвода жидкости, бактерицидную лампу ультрафиолетового излучения с защитным кварцевым чехлом, полость которого соединена с источником воздуха, смеситель, установленный на входном патрубке, деаэратор, установленный на выходном патрубке, блок управления, выход которого соединен с токовводами лампы, отличающаяся тем, что в рабочей камере корпуса установлено перемешивающее устройство, а в деаэраторе светофильтр и фотодетектор, соединенные оптически через световод с лампой, выход фотодетектора соединен с входом блока управления, деаэратор через конвертор озона соединен с блоком управления, кроме того в нее введены входной фильтр, озонатор и осушитель, вход которого соединен с полостью кварцевого защитного чехла, выходы которого и входного фильтра соединены с входами озонатора, выходы которого соединены с входами смесителя, электрод озонатора соединен с входом блока управления. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что блок управления содержит формирователь импульсов, коммутатор, накопитель, управляемый генератор импульсов и сумматор, входы которого соединены с входами блока, а выход с входом управляемого генератора импульсов, выходы которого и накопителя через коммутатор соединены с входом формирователя импульсов, выходом которого соединен с выходом блока. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выходной патрубок соединен с абсорбционным фильтром. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что входной и выходной патрубки установлены тангенциально. 5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что перемешивающее устройство состоит из лопастей вращения и жестко укрепленного на них спирального держателя, в гнезда которого установлены сетчатые лопасти. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти вращения и сетчатые лопасти покрыты фотокатализатором окисления. 7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что конвертор озона содержит тепловой датчик концентрации остаточного озона.