СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/463 C02F1/465 

Изобретение относится к области очистки питьевой воды, а более конкретно - к электрохимическим способам очистки воды.

Наиболее успешно предлагаемое изобретение может быть использовано в бытовых условиях, а также для улучшения качества питьевой воды в общественных учреждениях (предприятиях общественного питания, лечебных и детских учреждениях, офисах и пр.).

Предшествующий уровень техники.

В настоящее время наиболее эффективными методами очистки воды являются электрохимические. В отличие от чисто химических, физических и механических спектр улучшаемых электрохимическими методами показателей качества воды наиболее широк.

Известен способ электрохимической обработки воды путем пропускания внутри нее межэлектродных пространств пакета параллельных растворимых электродов (например, из алюминия). В процессе обработки в каждом соседнем межэлектродном пространстве организуют чередующиеся проточный и непроточный режимы путем перекрытия межэлектродных пространств в нижней части. Одновременно осуществляют изменение полярности электродов. Образующийся в процессе обработки коагулянт удаляют, например, фильтрованием (SU, А, 1165639).

Анализ описанного способа позволяет утверждать, что его целью является не столько улучшение качества (физико-химических и органолептических свойств) воды, сколько предотвращение пассивации электродов.

Известен, кроме того, способ электрохимической очистки питьевой воды (RU патент 2043308), включающий ее обработку с использованием пакета растворимых электродов в непроточном режиме с последующим перемешиванием заземленным токопроводящим предметом и фильтрованием после образования хлопьев коагулянта размером 1,5-2,5 мм.

Известное устройство, реализующее способ электрохимической очистки питьевой воды по патенту 2043308, содержит реактор (емкость), в котором размещен пакет растворимых электродов. Этот реактор заполняется питьевой водой, подвергаемой электрохимической очистке. После отключения пакета растворимых электродов воду в реакторе перемешивают завершенным токопроводящим предметом. После образования хлопьев коагулянта размером 1,5-2,5 мм воду фильтруют, переливая в другую емкость.

По своему назначению и технической сущности известные способ и устройство являются близкими к предлагаемым техническим решениям и по максимальному количеству сходных существенных признаков выбраны за прототип.

Недостатками способа и устройства, выбранных за прототип, является необходимость в участии потребителя в процессе приготовления воды из-за наличия ряда манипуляций (перемешивание заземленным токопроводящим предметом, сброс шлама, переливание обработанной воды из реактора (емкости), в котором велась обработка, в фильтровальное устройство, что, несмотря на высокую эффективность обработки воды, вызывает негативную реакцию у потребителя.

Целью изобретения является автоматизация способа очистки воды при одновременной оптимизации параметров электрохимической очистки и, как следствие, улучшение физико-химических и органолептических свойств питьевой воды.

Сущность изобретения заключается в том, что по предлагаемому способу электрохимической очистки питьевой воды исходную воду обрабатывают пакетом параллельных растворимых электродов и электрофлотацией одновременно в процессе заполнения реактора, после наполнения которого пакет растворимых электродов отключают и обрабатывают воду в непроточном режиме электролотацией.

После подъема образовавшегося коагулянта к поверхности реактора электролотацию отключают, коагулянт сливают, а обработанную воду фильтруют.

Сущность изобретения заключается также в том, что в устройстве для электрохимической очистки питьевой воды, содержащем реактор с пакетом растворимых электродов, пакет параллельных растворимых электродов установлен непосредственно над электродами электрофлотации в нижней части реактора, верхняя часть которого выполнена в форме усеченного конуса, на котором закреплена емкость шламосборника, и снабжена крышкой, выполненной в форме обратного конуса, с возможностью вертикального перемещения, обладающей плавучестью.

Кроме того, корпус реактора устройства для электрохимической очистки питьевой воды может иметь круглое сечение.

Корпус реактора устройства для электрохимической очистки питьевой воды может иметь прямоугольное сечение.

Кроме того, внутри шламосборника в его верхней части установлена замкнутая трубка с отверстиями в сторону стенки, снабженная патрубком для соединения трубопроводом через запорный и редукционный клапаны с внешним подводом воды.

В нижней части шламосборника установлен патрубок, соединенный через запорный клапан трубопроводом с канализацией.

Кроме того, в стенке нижней части реактора на уровне верхней границы пакета растворимых электродов установлен патрубок с запорным клапаном, соединенный с фильтром заключительного фильтрования.

Введение указанных признаков в способ и устройство для его осуществления обеспечивает наилучшие условия для образования и созревания коагулянта путем оптимизации сочетания линейной скорости подъема воды при заполнении реактора и электрических параметров в цепи пакета растворимых электродов. В результате сочетание при обработке в режиме заполнения реактора водой процессов поляризационной, электрохимической и электролитической коагуляций с электрофлотацией создает оптимальные условия для созревания хлопьев коагулянта, их сцепления с пузырьками флотационных газов и активного подъема на поверхность обрабатываемой воды. Продолжающийся процесс электрофлотации в непроточном режиме способствует полному выведению взвесей на поверхность.

Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно считать, что предложенные технические решения (способ и устройство для его осуществления) соответствуют условию изобретательского уровня.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлена схема конструкции предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 - конструкция шламосборника при его заполнении и при сбрасывании шлама.

Предлагаемый способ электрохимической очистки питьевой воды так же, как и прототип, включает ее обработку с использованием пакета растворимых электродов с последующим фильтрованием.

В отличие от прототипа по предлагаемому способу воду, подлежащую очистке, обрабатывают пакетом параллельных растворимых электродов и электрофлотацией одновременно в режиме заполнения реактора. После наполнения реактора пакет параллельных растворимых электродов отключают и обрабатывают воду в непроточном режиме электрофлотацией. После подъема образовавшегося коагулянта к поверхности электролотацию отключают, коагулянт сливают, а обработанную воду фильтруют.

Предлагаемое устройство для электрохимической очистки воды (фиг.1) так же, как и прототип представляет собой реактор 1 с пакетом параллельных растворимых электродов 2.

В отличие от прототипа пакет параллельных растворимых электродов 2 установлен непосредственно над электродами электрофлотации 3 в нижней части реактора 1, верхняя часть которого выполнена в виде усеченного конуса 4. На верхней части реактора, имеющей вид усеченного конуса 4, закреплена емкость шламосборника 5. На верхнем отверстии реактора 1 установлена крышка 6 в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающая плавучестью.

Реактор 1 предлагаемого устройства может быть выполнен с круглым или прямоугольным сечением.

Кроме того, внутри емкости шламосборника 5 по верхнему краю стенки закреплена замкнутая трубка 7 с отверстиями 8 в сторону стенки, снабженная патрубком для соединения трубопроводом 9 через запорный 10 и редукционный 11 клапаны с внешним подводом воды.

На дне шламосборника 5 установлен патрубок с запорным клапаном 12 для соединения трубопроводом с канализацией.

В стенке реактора 1 на уровне верхней границы пакета параллельных растворимых электродов 2 установлен патрубок с запорным клапаном 13 для соединения с фильтром заключительного фильтрования.

Предлагаемый способ электрохимической очистки питьевой воды осуществляется следующим образом. Воду, подлежащую очистке, в режиме заполнения реактора подвергают электрохимической обработке пакетом растворимых электродов (например, алюминиевых) и электродами электрофлотации (например, катод в виде сетки из нержавеющей стали и анод из графита). После наполнения емкости пакет параллельных растворимых электродов отключают, а электролотацию продолжают в непроточном режиме. После того как коагулянт под действием электрофлотации поднимется к поверхности, его удаляют, например, сливанием, а обработанную воду фильтруют от возможных остатков частиц коагулянта и подают потребителю.

Наилучшие условия для образования и созревания коагулянта создают путем оптимизации сочетания линейной скорости подъема воды при заполнении реактора и электрических параметров в цепи пакета параллельных растворимых электродов. При этом исходят из необходимости минимизации линейной скорости подъема воды при заполнении реактора (не более 2 мм/с) и оптимизации таких электрических параметров как напряженность электрического поля и плотность тока. Приняв, например, напряжение на электродах равным 24 В, остальные параметры, в том числе конструктивные, рассчитывают исходя из указанной величины напряжения.

Известно, что от напряженности электрического поля зависит скорость процесса хлопьеобразования. "Эта зависимость наблюдается при электрокоагуляции почти всех систем, содержащих неорганические, органические и биологические вещества" (И.Г.Грановский, И.С.Лавров, О.З.Смирнов. Электрообработка жидкостей. Л., Химия, 1976, с. 49-50). Увеличение напряженности положительно сказывается на эффективности процесса. Авторы отмечают высокую эффективность уже при напряженности электрического поля Е=1000÷3000 В/м при линейной скорости потока 0,3-0,5 м/час.

В современных условиях, учитывая, что даже водопроводная вода содержит достаточно большое количество нежелательных примесей, для получения необходимого эффекта очистки минимальное количество электричества (кулоны) должно быть не менее 100 кулон/л, что и обусловливает мощность источника питания установки в зависимости от ее производительности.

Исходя из изложенного, на этапе обработки воды в процессе заполнения реактора при указанных выше параметрах создаются оптимальные условия для осуществления таких электрохимических процессов, как поляризационная коагуляция, электрохимическая коагуляция, а также электролитическая коагуляция (т.к. пакет растворимых электродов содержит растворимый на анодах алюминий).

Одновременно с обработкой воды пакетом параллельных растворимых электродов на этом этапе обработки (в режиме заполнения реактора) воду подвергают электрофлотации. Известно, что "с помощью мельчайших газовых пузырьков флотируются практически все тонкодисперсные вещества, гидроксиды тяжелых металлов, полимеры, жиры, масла, нефтепродукты, латексы, продукты органического синтеза, поверхностно-активные вещества и т.д." (Флотационные методы в технологии очистки воды и опытах применения. Баку, АзНИИНТИ, 1990, с. 2). При этом "исключительно мелкие пузырьки удается получить с помощью метода электрофлотации, обладающей высокой скоростью и эффективностью процесса, а также меньшей чувствительностью к изменению состава раствора, чем вакуумная и компрессионная флотация" (там же, с. 9).

Сочетание при обработке в режиме заполнения реактора поляризационной, электрохимической и электролитической коагуляций с электрофлотацией с учетом времени заполнения реактора обрабатываемой водой создает оптимальные условия для созревания хлопьев коагулянта, их сцепления с пузырьками флотационных газов и активного подъема образовавшихся агрегатов на поверхность обрабатываемой жидкости. С момента, когда емкость реактора наполнена, и электрообработке подвергнута вода во всем объеме, отключают пакет параллельных растворимых электродов и прекращают подачу воды на обработку, т.е. переводят систему в непроточный режим. Это связано с тем, что во всем объеме реактора, начиная от верхней границы пакета параллельных растворимых электродов, присутствуют как сформировавшиеся агрегаты коагулянта, так и только что образовавшиеся в межэлектродном пространстве еще не скоагулировавшиеся мицеллы гидроксидов. В этом положении целесообразно дать отстояться образовавшейся суспензии. При этом нельзя гарантировать, что все частицы будут мигрировать к поверхности и вполне допустимо, что часть их подвергнется осаждению под воздействием силы тяжести, что нежелательно, т.к. приведет к нарушению электрических параметров электрофлотации. Поэтому, согласно изобретению, процесс электрофлотации продолжают в непроточном режиме, что способствует полному выведению взвесей на поверхность. Время процесса электрофлотации в непроточном режиме рассчитывают (с запасом), исходя из высоты воды в реакторе и скорости "стесненного осаждения частиц (А.Г.Касаткин, Основные процессы и аппараты химической технологии, М., Химия, 1973, с. 98, 113).

Проведение электрофлотации в непроточном режиме создает оптимальные условия для наиболее полного удаления дисперсий, что соответствует цели изобретения - получению высококачественной питьевой воды.

По истечении расчетного срока электрофлотации в непроточном режиме электролотацию отключают, шлам (коагулят), собравшийся на поверхности, удаляют, например сливают, а основной объем обработанной воды фильтруют через фильтр заключительной очистки (тонкое фильтрование) и подают потребителю.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Источником питания и управления 14 автоматически включаются все электрические узлы (пакет параллельных растворимых электродов 2, электроды электрофлотации 3, запорные клапаны 10, 12 и 13 не переводятся в режим ожидания). Открывают подачу воды, редукционный клапан 11 выравнивает напор поступающей на устройство воды до рассчитанного и через клапан 10 по трубопроводу 9 вода поступает в замкнутую трубку 7 и через отверстия 8 изливается на стенки шламосборника 5. При этом смываются остатки шлама от предыдущей обработки. Указанные остатки шлама, попав в реактор 1, становятся центрами коагуляции, способствуя интенсификации процесса (М.Г.Грановский, И.С.Лавров, О.З.Смирнов, Электрообработка жидкостей, Л., Химия, 1976, с. 8). Когда уровень поступающей воды поднимется до уровня верхнего отверстия конуса 4, вода приподнимает крышку 6 и поступает внутрь реактора 1. Поступающая вода внутри реактора 1 подвергается воздействию пакета параллельных растворимых электродов 2 и электродов электрофлотации 3 в режиме заполнения реактора 1 водой.

На заключительном этапе заполнения (фиг.2) реактора 1 на верхнем уровне конуса 4 внутри шламосборника 5 крышка 6 в виде обратного конуса поднимается вместе с уровнем обрабатываемой воды (показано стрелками). Поскольку процесс образования хлопьев коагулянта начинается (благодаря привнесенным центрам коагуляции) практически сразу после начала воздействия на воду пакета параллельных растворимых электродов 2, то к моменту выхода обрабатываемой воды из верхнего отверстия конуса 4 часть образовавшихся хлопьев, благодаря действию электрофлотационных пузырьков, уже находится на поверхности, образуя постепенно утолщающийся слой шлама 15.

Когда уровень обрабатываемой воды дойдет до расчетного, источник питания и управления 14 отключит запорный клапан 10 (клапан закроется). Одновременно отключается пакет параллельных растворимых электродов 2, оставляя включенными электроды электрофлотации 3. Дальнейшая обработка воды (электрофлотация) идет в непроточном режиме. Поскольку в момент отключения пакета параллельных растворимых электродов 2 емкость реактора 1 заполнена суспензией с образовавшимися хлопьями коагулянта и нескоагулировавшими мицеллами гидроксидов металла электродов пакета, очередной задачей обработки является освобождение объема реактора 1 от всех находящихся в нем взвесей. По истечении расчетного времени электрофлотации (рассчитанного по формулам стесненного осаждения) все взвешенные частицы оказываются в слое шлама 15 и вода в реакторе 1 их практически не содержит. В этот момент источник питания и управления 14 отключает электроды электрофлотации 3 и открывает запорный клапан 12 шлакосборника 5. Происходит сброс шлама (фиг.3).

Вода опускается вниз, вытекая через клапан 12 и далее по трубопроводу (шлангу) - в канализацию. Крышка в воде обратного конуса 5 также опускается вниз, выдавливая воду из верхней части конуса 4. Вода снизу омывает крышку в виде конуса 6 (показано стрелками) и не дает частицам шлама попасть обратно в конус реактора. Когда шлам полностью сливается, часть его остается на стенках шламосборника 5 и в следующем цикле обработки воды (как уже отмечено выше) служит в качестве центров коагуляции при смыве в реактор.

После сброса шлама 15 клапан 12 закрывается источником питания и управления 14, открывается клапан 13. Вода подается на фильтр заключительного фильтрования. Когда вода в реакторе 1 опустится до уровня клапана 13 источник питания и управления 14 закрывает клапан 13, открывает клапан 10 и включает пакет параллельных растворимых электродоз 2 и электроды электрофлотации 3. Процесс автоматически повторяется. Очищенную воду подают потребителю или в накопительную емкость.

Пример.

Изготовлена установка производительностью 30 л/час, реактор которой имеет прямоугольное сечение площадью 500 см². Высота реактора с конусом 43 см, рабочий объем 15 л. Верхнее отверстие конуса квадратного сечения площадью 35 см². В указанное отверстие установлена с возможностью вертикальных перемещений крышка в форме обратного конуса, обладающая плавучестью. К конусу реактора приварен шламосборник, дно которого на 5 см ниже верхнего отверстия реактора, а верхний край шламосборника на 4 см выше указанного отверстия. Изнутри шламосборника по его верхнему краю закреплена замкнутая трубка с отверстиям, направленными к стенкам шламосборника. Входной патрубок замкнутой трубки соединен шлангом с запорным клапаном, к которому подсоединен выход редукционного клапана, через который вода подается на обработку. Давление на выходе редукционного клапана отрегулировано и приведено в соответствие с расчетом. Непосредственно у дна шламосборника приварен патрубок для сброса шлама, связанный с запорным клапаном, выход которого соединен со шлангом для сброса шлама в канализацию.

Над дном реактора установлены электрофлотационные электроды (снизу анод из гранита, над ним на расстоянии 3 мм закреплен катод в виде сетки из нержавеющей стали). На 10 мм выше указанных электрофлотационных электродов установлен пакет параллельных растворимых электродов из сплава алюминия. Расстояние между электродами равно 3 км. Обе электродные группы изолированы от корпуса реактора и имеют изолированные выводы к источнику питания и управления. В стенке реактора на уровне верхнего края пакета параллельных растворимых электродов приварен патрубок, связанный через запорный клапан с фильтром заключительного фильтрования.

Электрические параметры следующие: напряжение на обеих группах электродов 24 В, напряженность электрического поля на пакете параллельных растворимых электродов 8000 В/м, сила тока 3,5 А. На электродах электрофлотации сила тока 3 А, что соответствует оптимальной плотности, рекомендуемой для электрофлотации, 6 мА/см² (Б.М.Матов, Электрофлотационная очистка сточных вод, Кишинев, Молдовеняска, 1982, с. 79).

Время заполнения реактора и обработки воды пакетов параллельных растворимых электродов и электрофлотацией 12 мин; время обработки воды в непроточном режиме только электрофлотацией 8 мин; сброс шлама с последующим заключительным фильтрованием осуществляется за 10 мин.

В таблице приведены результаты обработки водопроводной воды в г. С-Петербурге. Установка работала в автоматическом режиме. Пробы в каждом цикле обработки отбирались из водопроводного крана и на выходе установки.

Представленные в таблице данные показывают высокую эффективность обработки воды предложенным способом и устройством. Исследования воды, обработанной на опытном экземпляре установки, проведенные органами госсанэпидемнадзора, завершились выдачей гигиенического сертификата.

Изобретение относится к способам и устройствам электрохимической очистки воды и может быть использовано в бытовых условиях и для улучшения водоснабжения предприятий общественного питания, лечебных и детских учреждений, офисов и пр. Исходную воду обрабатывают пакетом параллельных растворимых электродов и электрофлотацией одновременно в режиме заполнения емкости водой. После наполнения пакет параллельных растворимых электродов отключают и обрабатывают воду в непроточном режиме электрофлотацией. После подъема образовавшегося коагулянта и поверхности электрофлотацию отключают, коагулянт сливают, а обработанную воду фильтруют. Очистку осуществляют в реакторе с пакетом параллельных растворимых электродов, установленных непосредственно над электродами электрофлотации в нижней части реактора. Верхняя часть реактора выполнена в форме усеченного конуса, на котором закреплена емкость шламосборника. При этом на верхнем отверстии реактора установлена крышка в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающая плавучестью. Технический эффект - улучшение физико-химических и органолептических свойств питьевой воды. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ электрохимической очистки питьевой воды, включающий ее обработку с использованием пакета параллельных растворимых электродов с последующим фильтрованием, отличающийся тем, что исходную воду обрабатывают пакетом параллельных растворимых электродов и электрофлотацией одновременно в режиме заполнения емкости водой, после наполнения которой пакет параллельных растворимых электродов отключают и обрабатывают воду в непроточном режиме электрофлотацией, после подъема образовавшегося коагулянта к поверхности электрофлотацию отключают, коагулянт сливают, а обработанную воду фильтруют. 2. Устройство для электрохимической очистки питьевой воды, содержащее реактор с пакетом параллельных растворимых электродов, отличающееся тем, что пакет параллельных растворимых электродов установлен непосредственно над электродами электрофлотации в нижней части реактора, верхняя часть которого выполнена в форме усеченного конуса, на котором закреплена емкость шламосборника, при этом на верхнем отверстии реактора установлена крышка в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающая плавучестью. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что корпус реактора имеет круглое сечение. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что корпус реактора имеет прямоугольное сечение. 5. Устройство по пп. 2, 3 и 4, отличающееся тем, что внутри емкости шламосборника в его верхней части установлена замкнутая трубка с отверстиями в сторону стенки, снабженная патрубком для соединения трубопроводом через редукционный и запорный клапаны с внешним подводом воды. 6. Устройство по пп. 2-5, отличающееся тем, что в нижней части шламосборника установлен патрубок, соединенный трубопроводом через запорный клапан с канализацией. 7. Устройство по пп. 2-6, отличающееся тем, что в стенке нижней части реактора на уровне верхней границы пакета параллельных растворимых электродов установлен патрубок с запорным клапаном, соединенный с фильтром заключительного фильтрования.