СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК C02F1/46 

Настоящее изобретение относится к способу очистки воды и устройству, которое дезактивирует или разрушает микроорганизмы с целью бактериолиза, виролиза, дезинфекции или стерилизации.

Разработаны и предложены различные способы проведения бактериолиза, дезинфекции и стерилизации путем эффективного разрушения микроорганизмов, включая такие бактерии, как Pseudomonas aeruginosa и Escherichia coli, а также другие Eumycetes, и "минут-вирусы". Однако ни в одном из этих известных способов свойства микроорганизмов не учитываются адекватно. Например, электрохимическая стерилизация исходит из посылки приведения микроорганизмов в контакт с поверхностью электрода или с диэлектрическим веществом с целью подавить их биохимические реакции. Обычно поверхность бактерии несет отрицательный заряд, и она притягивается к положительному электроду и разрушается путем контакта. Однако, когда число бактерий увеличивается, они проявляют состояние, в котором внутри бактерий накапливается протоплазма, которая защищает бактерии с помощью белка. Таким образом, они фактически обладают электрическим экраном. Это вызывает уменьшение бактерицидной функции, что приводит к проблемам при уходе за электродами и управлении ими. Соответственно в результате практическое применение является затруднительным.

Данное изобретение основано на рассмотрении механизма, согласно которому разрушаются микроорганизмы. Было обнаружено, что тогда, когда бактерии разрушаются, они выделяют цитоплазму перед контактом с положительным электродом. Бактерии можно рассматривать как микроконденсаторы; их клеточная мембрана разрушается, когда они подвергаются действию электрического заряда в электрическом поле, и этот заряд превышает электростатическую емкость.

Способ очистки воды по настоящему изобретению включает введение обрабатываемой воды в камеру для обработки, содержащую катод и анод, расположенные друг против друга, и подачу электрической энергии для того, чтобы дезактивировать или разрушить микроорганизмы в воде. В то же время предпринимаются шаги, чтобы предотвратить контакт между анодом и микроорганизмами и между анодом и дезактивированными или разрушенными веществами. Воду вблизи анода заставляют оттекать от анода путем колебания воды вблизи анода и/или путем колебания анода. Дезактивированные или разрушенные вещества, включая остатки, образованные в результате обработки, затем удаляются как изнутри, так и снаружи камеры с тем, чтобы получить очищенную воду.

Поскольку разрушение клеточной мембраны обусловлено подачей электрической энергии при таких обстоятельствах, что микроорганизмы не образуют контакта с анодом, с помощью настоящего изобретения можно предотвратить проблемы, вызванные контактом остатков и микроорганизмов с анодом, в частности уменьшение анодного выхода по току. Более того, поскольку уход за электродами и управление ими соответственно являются более простыми, нет уменьшения бактерицидной эффективности. В соответствии с этим настоящий способ и устройство обладают тем преимуществом, что количество электричества, требуемое для подачи электрической мощности, может быть небольшим. Можно очистить большие объемы воды. При желании можно также получить получистую воду.

Примеси в воде можно удалить путем пропускания очищенной воды в фильтре высокой чистоты. В самом способе очистки воды к микроорганизмам подают мощную электрическую энергию, и образующиеся в обрабатываемой воде пузырьки газа могут быть разбиты путем отдельной подачи ультразвуковых волн к водному раствору.

Устройство для очистки воды по настоящему изобретению включает камеру для обработки, имеющую катод и анод, расположенные друг против друга; средство подачи электрической энергии к микроорганизмам, содержащимся в воде; средство колебания воды вблизи анода и/или колебания анода; а также средство удаления остатков изнутри и снаружи камеры.

Устройство для очистки воды может также содержать проточное устройство для обрабатываемого водного раствора, использующее вращающийся анод. Средство удаления остатков в устройстве предпочтительно представляет собой одиночную анодную сетку или анодный фильтр, или комбинацию, расположенную внутри и снаружи камеры для обработки.

Средство для колебания раствора может включать отражательную пластину внутри камеры для обработки.

Средство для колебания раствора в устройстве может включать ультразвуковой вибратор, установленный около анода. Средство для колебания анода может включать вибратор, связанный с электродным кожухом, оборудованным анодом и катодом. Описанные выше средство для протока, средство для колебания раствора, средство для колебания анода, средство для удаления остатков и фильтр высокой частоты используют в комбинации.

Настоящее изобретение имеет целью взрывное разрушение мембраны клеток микроорганизмов путем подачи к микроорганизмам электрической энергии через жидкость в электрическом поле для того, чтобы содействовать осмосу внутри и снаружи клеток микроорганизмов. Хотя пример применения жидкости с электрическим полем включает приложение тока к самой жидкости, содержащей микроорганизмы, посредством электрода, этот электрод и микроорганизмы, к которым подают электрическую энергию, не находятся в контакте. Способ приложения тока может осуществляться как через проводящую, так и через непроводящую среду.

В данном описании термин "вода, которую нужно обрабатывать" (или обрабатываемая вода) обозначает раствор, содержащий микроорганизмы типа бактерий или "минут-вирусов", такой как водопроводная вода и другая питьевая вода, промывная вода для стерилизации рук и ног, холодная и горячая вода для ванн, прудовая вода, а также очищающая вода для очистки промышленных продуктов. Следовательно, термин "вода, которую нужно обработать" используется в широком смысле как общий термин для среды, необходимой для дезактивации или нарушения микроорганизмов. "Электрическая энергия", которую подают, может изменяться от низкой до высокой или от слабой до сильной интенсивности, устанавливается в соответствии с объемом воды, которую нужно обработать для очистки, размером устройства для очистки и иных условий.

Термин "очистка" используется как концептуальный термин, включающий бактериолиз, виролиз, дезинфекцию и стерилизацию микроорганизмов и удаление органических примесей.

Термин "клеточная мембрана" используется в широком смысле и обозначает общим образом граничную мембрану, внешнюю мембрану, межфазную мембрану, протоплазматическую мембрану или клеточную стенку, которая отделяет протоплазму клетки от внешнего пространства.

Термин "взрывное разрушение", используемый здесь, непосредственно относится к состояниям, где происходит сильное сокращение мембраны, причем клеточная мембрана обладает высокой сильной эластичностью, так что содержимое клетки (протоплазма) выпрыскивается и рассеивается радиально по всем направлениям; где клеточная мембрана обладает низкой эластичностью и внутреннее давление в клетке высоко, так что происходит локальное разрушение клеточной мембраны, вызывающее поступательное выпрыскивание с небольшим периферийным рассеянием; или где клеточная мембрана обладает слабой эластичностью и внешнее давление является относительно низким, так что происходят поступательное выпрыскивание и периферийное рассеяние. Этот же термин используется в широком смысле, чтобы обозначать общим образом разрушение, включая разрушение тургорным давлением, а также лизис, дегидратацию, коагуляцию, плавление, перфорацию и т.д., которые являются типичными явлениями бактериального разрушения.

Термин "заряженная вода" обозначает здесь общим образом зарядную воду, аккумуляторную воду, функциональную воду, воду при обработке электролизом, воду с высоким окислительным потенциалом, сильно кислый водный раствор при электрохимической регенерации, ионизированную воду, неионизированную воду, или наэлектризованную воду. Фраза "подавая ток" не ограничивается подачей тока через проводящую среду, например, раствор проводящего вещества, такого как NaCl, а также включает подачу тока через жидкость, которую в основном не предполагают проводящей, такую как очищенная вода. Было подтверждено, что когда ток подают после того, как жизнеспособные микроорганизмы были суспендированы в воде, получают ток меньший, чем в проводящей среде. Очевидно, это является результатом эффекта прыжковой проводимости (тип течения тока непроводящей среды), существующего между микроорганизмами, с помощью которого микроорганизмы образуют постоянный поток в направлении положительного электрода.

Термин "осмос" обозначает явление движения воды в растворе в сторону большей концентрации при его разделении мембраной, проницаемой для воды и непроницаемой для растворенного вещества. Если осмотическое давление увеличивается, оно вызывает разрушение клеточной мембраны. Термин "необратимое изменение" относится в общем случае к состояниям, в которых клеточная мембрана препятствует транспорту веществ, сама клеточная мембрана изменена или модицифирована, или изменена или модифицирована протоплазма.

Далее изобретение будет описано только путем примера со ссылкой на устройство, изображенное на прилагаемых чертежах, в которых:
фиг. 1 является схематичным боковым разрезом устройства для очистки воды, которое является первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 является схематичным видом поперечного сечения вдоль линии А-А на фиг. 1;
фиг. 3 является аксонометрическим видом, изображающим частное поперечное сечение вращающегося тела из фиг. 1;
фиг. 4 является схематичным боковым разрезом устройства для очистки воды, которое является вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 5 является схематичным горизонтальным разрезом устройства для очистки воды, которое является третьим вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 6 является схематичным видом поперечного сечения средства для удаления остатков вдоль линии В-В на фиг. 5.

Фиг. 1 - 3 изображают устройство для очистки воды, оборудованное анодом 3 в форме вращающегося тела 4 в камере 2 для непрерывной обработки воды 1, которую нужно обработать, при принудительном потоке. Как показано на фиг. 2, камера для обработки 2 включает левую и правую цилиндрические части 5 и 6, соединенные центральной узкой частью 7. Вращающиеся тела 4 и 8 расположены так, что они могу свободно вращаться в центрах цилиндрических частей 5 и 6 соответственно. Множество катодов 9 расположено по периферии в таких позициях, чтобы окружать вращающиеся тела 4 и 8. Поток воды падает на отражатели 21 внутри камеры для обработки 2 и окружает в основном периферию анода 3.

К цилиндрическим осевым частям вращающихся тел 4 и 8 прикреплено множество изогнутых пластин 10. Вращающееся тело 4 снабжено подающим входом 11 для введения воды 1, которую нужно обработать. Вращающееся тело 8 оборудовано выпуском 12 для отвода очищенной воды. На валу вращающегося тела 4 образовано множество щелей 13 для подачи воды. На валу другого вращающегося тела 8 образовано множество щелей 14 для отвода воды. Вращающееся тело 4 действует как анод 3, и первые анодные пластины 15, изготовленные из платины, присоединены внутри вала как нерастворимые аноды. Пластинки 10 изготовлены из титана и служат как вторые анодные пластинки.

Вращающееся тело 4 является средством, с помощью которого воду, которую нужно обработать, вблизи анода 3 заставляют оттекать в направлении от анода 3.

На дне камеры для обработки 2 предусмотрены ультразвуковой вибратор 16 и анодная сетка 17. Ультразвуковой вибратор 16 расположен вблизи вращающегося тела 4 анода 3. Этот вибратор накладывает колебания на воду, которую нужно обработать, вблизи электрода 3; он также разрушает пузырьки газа, образующиеся в воде при подаче электрической энергии посредством тока между катодом 9 и анодом 3.

Анодная сетка 17 служит для удаления остатков. Она расположена на дне узкой части 7 между цилиндрическими частями 5 и 6. Когда микроорганизмы дезактивируют или разрушают, образуется большое количество остатков 18. Анодная сетка 17 захватывает эти остатки во время течения слева направо на фиг. 1 и 2. Остатки выделяют и удаляют через спуск для остатков 19. После удаления остатков очищенную воду или удаляют как таковую или дополнительно очищают путем подвода к фильтру высокой чистоты 20, а затем удаляют.

Можно обеспечить множество камер для обработки 2 и соединить их в единое целое, что может дополнительно улучшить эффективность очистки
На фиг. 4 изображено устройство, предназначенное для проведения прерывистой обработки (так называемая периодическая обработка). В камере для обработки 31 установлен анод 33, и он вращается мотором 32 так, чтобы вызвать принудительный поток воды 30, которую нужно обработать. Анод 33 поставляется в форме вращающегося тела, и он образован объединением цилиндрического вала 34 и пластинок 35 в единое целое с использованием нерастворимого анодного металла. На цилиндрическом валу 34 расположено большое число распылительных отверстий 36. Имеется множество катодов 37 в таких позициях, чтобы окружать периферию данного анода 33 на стенках камеры для обработки 31. Вращающийся анод 33 заставляет воду, которую нужно обработать вблизи анода 33, оттекать от анода 33.

На дне камеры для обработки 31 предусмотрен ультразвуковой вибратор 38, и он расположен вблизи анода 33. Этот вибратор 38 придает колебания воде, которую нужно обработать, вблизи анода 33; он также разрушает пузырьки газа, которые могут образоваться, если к микроорганизмам подан высокий уровень электрической энергии.

Отводная труба 39 связана с камерой для обработки 31 и содержит средство для удаления остатков в форме анодной сетки 40. Эта анодная сетка адаптирована для принудительного удаления остатков 42 из воды. Анодная сетка 40 расположена внутри горизонтального цилиндрического кожуха 41 так, чтобы остатки притягивались к анодной сетке 40, когда вода, которую нужно обработать, протекает через кожух 41, после которого эти остатки удаляются через спуск для остатков 42. Хотя очищенная вода после удаления остатков 41 может быть отведена как таковая, ее также можно отвести в форме получистой воды путем удаления примесей в результате дополнительного ее введения в фильтр высокой чистоты 43.

В соответствии как с первым, так и со вторым вариантами осуществления изобретения, вода 30, которую нужно обработать, вблизи анода течет в направлении от анода 33. Поскольку ток протекает через воду 30, которую нужно обработать и которая заполнила внутреннее пространство камеры для обработки 31 между катодом 37 и анодом 33, электрическая энергия подается к микроорганизмам в воде 30, которую нужно обработать. Таким образом, можно стимулировать осмос внутри и снаружи клеточной мембраны, так чтобы клеточная мембрана взрывным образом разрушалась, клетки коллапсировали, высвобождалась цитоплазма (протоплазма) и большое число микроорганизмов были по существу полностью дезактивированы или разрушены.

В результате такой дезактивации или разрушения образуется большое количество остатков 41. Остатки 41 и другие материалы смешаны в воде. Однако, поскольку материалы не достигают анода 33 в результате перемешивания вращающимся телом, а скорее текут в направлении от анода 33, остатки 41 захватываются анодной сеткой 40, выводятся и удаляются через спуск для остатков 41.

Явление дезактивации и разрушения микроорганизмов происходит без контакта с анодом 33. Вследствие потока воды, созданного вращающимся телом и/или ультразвуковым вибратором 38, предотвращается контакт между анодом 33 и микроорганизмами, а также контакт между анодом 33 и остатками 41. Поскольку остатки 41 рассеиваются вращающимся телом, можно избежать проблем, происходящих из-за их контакта с анодом 33. Таким образом, нет уменьшения анодного выхода по току. Следовательно, уход за электродами и управление ими соответственно упрощаются, позволяя посредством этого обработать и очистить большой объем воды.

Микроорганизмы, которые можно рассматривать как конденсаторы, разрушаются тогда, когда они подвергаются воздействию электрического заряда. Когда их электростатическая емкость превышена, клеточная мембрана разрушается и достигается очистка воды путем дезактивации или разрушения микроорганизмов без подачи электрической энергии большей мощности, чем энергия, необходимая для разрушения. Если подают высокий уровень электрической энергии, например, с микроорганизмами с особенно жесткой клеточной мембраной, путем применения большого тока и большой разности потенциалов между катодом 37 и анодом 33, пузырьки воздуха, образованные в обрабатываемом водном растворе, эффективно разрушаются ультразвуковым вибратором 38, что способствует дезактивации или разрушению микроорганизмов, прилипших к этим пузырькам.

Введение, очистку и отвод воды можно осуществлять непрерывно. Следует заметить, что удаленная очищенная вода может также быть подана к фильтру высокой чистоты 20 для того, чтобы вывести ее в виде получистой воды с высокой степенью чистоты. Эта получистая вода особенно пригодна в качестве очищающей воды для промышленных продуктов.

Фиг. 5 или 6 изображает устройство для очистки воды, предназначенное для непрерывной обработки. Камера для обработки 51 имеет вход 52 и выход 53, которые являются коаксиальными, для того чтобы создать принудительный поток воды 50, которую нужно обработать. Электродный кожух 56, в котором вперемежку расположены множество анодов 54 и катодов 55, введен внутрь камеры для обработки 51. К электродному кожуху 56 присоединен вибратор 57. Вблизи выхода 53 установлен спуск для остатков 59, объединенный со средством удаления остатков в форме анодного фильтра 58. Внутри кожуха 60 анодный фильтр 58 объединен с выпрямляющими лопастями 61, расположенными по спирали. Принудительный поток воды, содержащий большое количество остатков, приводит остатки 62 в контакт с анодным фильтром 58; достигается эффективное удаление остатков. Предусмотрен также фильтр высокой чистоты 63.

Электрическую энергию подают в течение такого времени прохода воды 50, которую нужно обработать, через камеру 51, которое приводит к дезактивации или разрушению микроорганизмов в обрабатываемой воде. После этого раствор течет как таковой в направлении от анодов 54, предотвращая, таким образом, контакт между остатками 62 и анодами 54. Более того, поскольку вибратор 57 колеблет электродный кожух 56, микроорганизмы и остатки 59 также не приходят в контакт с анодами 54. Таким образом, можно избежать проблем, возникающих вследствие их контакта с анодами 54. Следовательно, нет уменьшения анодного выхода по току, и уход за электродами и их управление соответственно становятся проще.

Расход воды 50, которую нужно обработать, можно легко регулировать с помощью вентиля (не показан). В соответствии с расходом можно регулировать подачу электрической энергии на микроорганизмы. В связи с первым и вторым вариантами осуществления изобретения описаны другие факторы.

Технический результат: взрывное разрушение мембраны клеток. Чтобы дезактивировать или разрушить микроорганизмы в воде, воду вблизи анода заставляют оттекать от анода путем воздействия колебаний на воду и/или анод. Устройство для очистки воды включает камеру для обработки с расположенными друг против друга катодом и анодом, средство подачи электрической энергии к содержащимся в воде микроорганизмам, средство для колебания воды вблизи анода и/или колебания анода и средство для удаления остатков изнутри и снаружи камеры. 3 с. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ очистки воды, включающий подачу электрической энергии к воде, которую нужно обрабатывать в камере для обработки, содержащей расположенные друг против друга катод и анод, для того, чтобы дезактивировать или разрушить микроорганизмы в воде, отличающийся тем, что воду вблизи анода заставляют оттекать от анода путем воздействия колебаниями на воду и/или анод для предотвращения контакта анода и микроорганизмов друг с другом и удаляют остатки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает удаление примесей и/или остатков на фильтре высокой чистоты. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что образованные в воде пузырьки газа разрушают путем подачи электрической энергии и наложения на воду ультразвуковых волн и/или колебания электродов. 4. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что введение и отвод воды, которую надо обработать, осуществляют непрерывно в камере для обработки. 5. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что введение и отвод воды, которую надо обработать, осуществляют прерывисто в камере для обработки. 6. Устройство для очистки, включающее по крайней мере одну камеру для обработки с расположенными друг против друга катодом и анодом и средство подачи электрической энергии на содержащиеся в воде микроорганизмы, отличающееся тем, что содержит средство для колебания воды вблизи анода и/или колебания анода для предотвращения контакта анода и микроорганизмов друг с другом и средство для удаления остатков изнутри и снаружи камеры. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство для колебания воды включает отражательную пластинку внутри камеры для обработки. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средство для колебания воды включает ультразвуковой вибратор, расположенный около анода. 9. Устройство по любому из пп.6 - 8, отличающееся тем, что содержит средство для колебания анода, присоединенное к электродному кожуху, оборудованному анодом и катодом. 10. Устройство по любому из пп.6 - 9, отличающееся тем, что средство для удаления остатков включает одиночную анодную сетку, или анодный фильтр, или их комбинацию, расположенные внутри и снаружи камеры для обработки. 11. Устройство по любому из пп.6 - 10, отличающееся тем, что содержит фильтр высокой чистоты для удаления примесей в очищенной воде, подвергнутой процедуре удаления остатков. 12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что соединено множество камер для обработки. 13. Устройство для очистки, включающее по крайней мере одну камеру для обработки с расположенными друг против друга катодом и анодом и средство подачи электрической энергии на содержащиеся в воде микроорганизмы, отличающееся тем, что содержит вращающийся анод для оттока воды в направлении от анода для предотвращения контакта анода и микроорганизмов друг с другом и средство для удаления остатков. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что содержит средство для колебания анода, присоединенное к электродному кожуху, оборудованному анодом и катодом. 15. Устройство по п.13 или 14, отличающееся тем, что средство для удаления остатков включает одиночную анодную сетку, или анодный фильтр, или их комбинацию, расположенные внутри и снаружи камеры для обработки. 16. Устройство по любому из пп.13 - 15, отличающееся тем, что содержит фильтр высокой чистоты для удаления примесей в очищенной воде, подвергнутой процедуре удаления. 17. Устройство по п.13, отличающееся тем, что соединено множество камер для обработки.