СПОСОБ ОБЕССОЛИВАНИЯ ВОДЫ ИЛИ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ ЗАМОРАЖИВАНИЕМ И ОТТАИВАНИЕМ Российский патент 2002 года по МПК C02F1/22 C02F5/00 C02F103/08 

Изобретение относится к технологии очистки и обессоливания воды, растворов солей в промышленности и быту, а также может быть использовано для очистки питьевой воды, промышленных стоков.

Вымораживание можно проводить в конусообразных сосудах, расширяющихся кверху, либо в наклонно расположенной, вращающейся вокруг своей оси колбе. Для получения фазы концентрата и обессоленной жидкости используют также метод зонной плавки [Стадник А.С., Дедков Ю.М. Вымораживание как метод концентрирования примесей в водах. /Химия и технология воды. 1981. Т.3. 3. С. 227-233] . Автор работы [Пучко В.И. Новый способ опреснения воды методом вымораживания. /Гидротехника и мелиорация. 1949. 3. С.46-55] рекомендует намораживать ледяные бурты, при последующем плавлении которых получают опресненную воду. Физико-химические процессы, происходящие при опреснении вымораживанием и плавлением льда, описаны в работе [Митин М.Ф. Опреснение воды методом естественного вымораживания. /Гидротехника и мелиорация. 1963. 2. С. 20-27].

В заявке [Способ получения талой воды и генератор талой воды. Заявка 97100446/13. Россия. МПК⁶ C 02 F 1/22 / Кузнецов Э.С., Соловьев Е.Ф. Заявл. 14.01.97., опубл. 10.11.98 г. Бюлл. 31] предлагается комбинированный способ, отличающийся тем, что процесс замораживания воды и оттаивания льда осуществляется частично и попеременно в двух емкостях. Способ сложен в аппаратурном и технологическом содержании.

Более простой комбинированный способ, наиболее близкий предлагаемому в данной заявке, предложен в патенте [Способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием /Пат. 2077160. Сосновский А.В., Ивлев С.А., Самойлов B.C., Герман В. В. Заявка 94011389/26. Заявл. 01.04.94 г., опубл. 10.04.97 г]. В этом патенте описан способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием, заключающийся в ее замораживании, дроблении льда и его таянии, отличающийся тем, что замораживание льда ведут до 70-90% объема воды, таяние льда осуществляют при теплоизоляции его боковых и нижних поверхностей до образования 30-55% от объема льда талого стока с последующим его удалением. Оставшийся чистый лед плавят полностью и получают 15-60% чистой воды от первоначально взятого ее объема на опреснение.

Недостатки метода:
1. Необходимо контролировать степень замораживания, что в естественных условиях (когда температура воздуха и скорость ветра изменяются) вести затруднительно.

2. Необходимо дробление льда.

3. Необходим контроль степени плавления льда в условиях его теплоизоляции.

4. Относительно низкий выход (15-60%) чистой воды.

Предлагается свободный от этих недостатков способ улучшения качества воды. Способ основан на том, что при замораживании воды в цилиндрическом сосуде (отвод тепла осуществлялся извне) слой льда растет от стенок к центру сосуда. При этом вначале вымерзает чистая вода, а жидкость, оставшаяся внутри ледяной зоны, постепенно концентрируется по растворенным компонентам коллоидам и взвесям. В результате этого рассол, образующийся в ходе постепенного концентрирования, сосредоточивается в осевой зоне и замерзает последним. Зона концентрирования после полного промораживания жидкости обычно отчетливо видна невооруженным глазом: при окрашенных примесях внутри виден дендритный ствол в виде "морковки", а при неокрашенных примесях образуется молочно-белый ствол. Если процесс таяния льда осуществляют от центра к периферии, то в первых порциях жидкости вытечет рассол, а затем будет плавиться чистый лед.

Для подтверждения вышеизложенного проведены следующие эксперименты. В стандартный пластиковый сосуд вместимостью 1,5 л заливали 1,3 л водопроводной воды и погружали в воду трубчатый электрический нагреватель так, чтобы он располагался по всей высоте оси сосуда.

Схематически конструкция устройства показана на фиг.1, где приведен источник питания нагревателя 1, сосуд в виде бутылки 2, осевой нагреватель 3 и место для сливного отверстия 4. Трубчатый электрический нагреватель (фиг.2) представлял собой запаянную с одного конца кварцевую трубку 1 внешним диаметром 8 мм, в которую помещалась трубка 2 диаметром 4 мм, на внешнюю поверхность которой была намотана нихромовая спираль 3 в качестве нагревателя.

При замораживании воды сосуд находился неподвижно в вертикальном положении. Таким образом, нагреватель оказывался вмороженным в осевой зоне ледяной були. Затем в центре дна сосуда горячей металлической трубкой прорезали отверстие, закрепляли его вертикально и под отверстие в дне сосуда устанавливали пробоотборный сосуд. Нагреватель подключали к вариатору переменного напряжения и при темно-красном калении спирали производили оттаивание, отбирая последовательно порции жидкости по 50-70 мл. В качества меры суммарного солесодержания порций воды использовали удельную электропроводность. Зависимость удельной электропроводности талой воды от объема вытаявшей жидкости представлена на фиг.3. Из фиг.3 видно, что при вымораживании первых порций жидкости объемом 200-250 мл удаляется загрязненная часть льда, оставшийся лед плавят в любом режиме и получают 1150-200 мл очищенной воды. Таким образом, выход очищенной воды составляет 82-86% от первоначально взятого ее объема. Так при замораживании и оттаивании 1,4 л водопроводной воды с удельной электропроводностью 297 мкС/см было получено 1200 мл воды с удельной электропроводностью 180 мкС/см. В данном примере степень очистки составила 39,6%. Для вытаивания рассола из сосуда емкостью 1,5 л требуется 20-25 мин, скорость плавления оставшегося очищенного льда будет зависеть от температурного режима плавления. Для полного растапливания льда из сосуда такой же емкости при постоянно включенном нагревателе требуется около 1,5 ч. Эксперименты были повторены нами несколько раз и указанные выше результаты отчетливо воспроизводились.

Такие же закономерности наблюдаются при замораживании и плавлении растворов солей. На рисунках 4-7 представлены кривые осевого плавления льда для растворов КNО₃ с начальной удельной электропроводностью 1,13 мС/см (фиг. 4), MgSO₄ с начальной удельной электропроводностью 3,2 мС/см (фиг.5), BaCl₂ с начальной удельной электропроводностью 1,8 мС/см (фиг.6) и FeCl₃ с начальной удельной электропроводностью 133 мкС/см (фиг.7). Как видно из фиг. 4-7, все кривые однотипны и подобны кривой для водопроводной воды (фиг.3). Таким образом, и для растворов солей после осевого вытаивания 200-250 мл жидкости (при первоначальном замороженном объеме 1300 мл) получают 1150-1200 мл частично обессоленного раствора.

Предлагаемый способ можно с равным успехом использовать и для концентрирования растворов солей, так как при осевом плавлении льда получают концентрат и обессоленную жидкость. Для повышения степени обессоливания или концентрирования процесс повторяют, используя соответственно частично обессоленную фазу или концентрат.

Описанные выше закономерности распределения солей при осевом плавлении льда наблюдаются тогда, когда замораживание жидкости в сосуде идет от периферии к центру. Для обеспечения этого необходимо, чтобы отношение высоты сосуда к его диаметру составляло не менее 2.2

Изобретение относится к технологии очистки и обессоливания воды, растворов солей в промышленности и быту, а также может быть использовано для очистки питьевой воды, промышленных стоков. Способ обессоливания воды или растворов солей замораживанием и оттаиванием заключается в том, что замораживание воды или растворов солей ведут в сосуде с отношением высоты сосуда к поперечному сечению ≥2, по оси которого установлен нагреватель. После полного замораживания жидкости в центре дна сосуда проделывают отверстие и с помощью осевого нагревателя расплавляют ≥15% льда, получая рассол, а оставшийся лед плавят в произвольном режиме и получают очищенную воду. За один цикл получают 80 об.% обессоленной на 30-40% жидкости и 20% концентрата. Данный способ можно использовать также для концентрирования вод и растворов. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ обессоливания воды или растворов солей путем замораживания и последующего оттаивания, отличающийся тем, что перед процессом замораживания в сосуд помещают осевой нагреватель, после чего проводят полное замораживание воды или раствора соли, затем проделывают отверстие в дне сосуда и с помощью осевого нагревателя расплавляют не более 15% льда, получая концентрат, а оставшийся лед плавят в произвольном режиме, получая очищенную воду. 2. Способ обессоливания воды или растворов солей путем замораживания и последующего оттаивания по п. 1 отличается тем, что процесс ведут преимущественно в сосуде с отношением высоты сосуда к диаметру поперечного сечения ≥2.