УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 2004 года по МПК C02F1/463 C02F1/465 

Изобретение относится к области очистки питьевой воды, конкретно к электрохимическим способам и устройствам очистки воды.

Наиболее успешно предлагаемое техническое решение может быть использовано для улучшения качества питьевой воды в общественных учреждениях (предприятиях общественного питания, пищевой промышленности, лечебных и детских учреждениях, больницах, офисах и пр.).

Электрохимические методы очистки воды по сравнению с другими методами наиболее эффективны и обладают наиболее широким спектром удаляемых примесей. “Электрохимические процессы достаточно легко автоматизируются и могут обеспечить улучшение практически всех показателей качества воды” (Н.В. Миклашевский, С.В. Королькова. Чистая вода. Системы очистки и бытовые фильтры. Дюссельдорф, Киев, М., С-Петербург. Изд. гр. “Арлит”, 2000, с.154).

Известно устройство, реализующее способ электрохимической очистки питьевой воды по патенту №2043308, содержащее реактор (емкость), в котором размещен пакет растворимых электродов. Реактор заполняют водой, подлежащей очистке, и устанавливают в нем пакет растворимых электродов. После определенной экспозиции электрохимической обработки пакет растворимых электродов извлекают, а воду в реакторе перемешивают заземленным токопроводящим предметом. После образования хлопьев коагулянта шлам с коагулянтом сбрасывают, а воду фильтруют.

Известен также способ электрохимической очистки воды и устройство для его осуществления (RU, патент №2180322). Известное устройство, реализующее способ по патенту №2180322, содержит реактор с пакетом параллельных растворимых электродов, в котором пакет 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.

По своему назначению и технической сущности известное устройство является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и по максимальному количеству сходных существенных признаков выбрано за прототип.

Существенными недостатками описанного устройства являются “процессы пассивации анодов и адсорбции на них посторонних примесей” (С.В. Яковлев, И.Г. Краснобородько, В.М. Рогов. Технология электрохимической очистки воды. Л.: Стройиздат, 1987, с.201).

Кроме того, размещение электродных блоков электрокоагуляции и электрофлотации в нижней части реактора создает в этой зоне застойный объем, в котором постепенно накапливаются частицы взвесей различного происхождения: неотфлотированный коагулянт, песчинки, отслоившиеся от электродов окислы и частицы шлама. Это вынуждает вывод сливного патрубка из реактора устанавливать на уровне выше верхнего края электродного блока, что приводит к неполному использованию объема реактора, а также периодически промывать реактор для освобождения его от накоплений.

Целью предлагаемого технического решения является улучшение физико-химических и органолептических свойств питьевой воды путем использования особенностей гидродинамики различных потоков воды.

Кроме того, осуществляется депассивирование анодов электродного блока электрокоагуляции, что увеличивает срок их службы.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемое устройство для электрохимической очистки воды содержит реактор, на верхней части которого закреплена емкость шламосборника, при этом на верхнем отверстии реактора установлена крышка в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающая плавучестью, а электродный блок электрокоагуляции с пакетом параллельных катодов и растворимых анодов и электродами электрофлотации выполнен в отдельном корпусе, в верхней части которого размещены электроды электрокоагуляции, а в нижней части - электроды электрофлотации, при этом аноды электрокоагуляции и электрофлотации установлены соосно, а катоды являются общими для обеих групп электродов, причем снизу установлен входной патрубок, а сверху патрубок, соединяющий электродный блок с емкостью шламосборника реактора.

Кроме того, устройство содержит блок коммутации, меняющий полярность анодов пакета электродов электрокоагуляции после заполнения емкости шламосборника.

Кроме того, аноды пакета электродов электрокоагуляции выполнены из сплавов алюминия, катоды электродов электрокоагуляции и электрофлотации выполнены из нержавеющей стали, а аноды электрофлотации - из малоизнашиваемых материалов (платина, графит, углерод, титан, покрытый оксидами рутения или кобальта).

Введение указанных признаков в устройство позволяет обеспечить наиболее полную обработку исходной воды путем использования гидравлических особенностей режимов течения обрабатываемой жидкости за счет создания на разных этапах обработки турбулентных и ламинарных потоков. Сочетание оптимальных электрических параметров обработки с оптимизированными режимами течения обрабатываемой воды позволяет решить задачу разделения гетерогенной системы наиболее полно.

Из уровня техники не выявлено решений, совпадающих с отличительными признаками предлагаемого изобретения. Поэтому можно считать, что предложенное техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство-прототип, на фиг.2 - конструкция предлагаемого устройства, на фиг.3 - гидродинамика в прототипе, на фиг.4 - гидродинамика в предлагаемом изобретении.

Предлагаемое устройство (фиг.2) так же, как устройство-прототип, содержит реактор 1, в верхней части которого закреплена емкость шламосборника 2. При этом на верхнем отверстии реактора 1 установлена крышка 3 в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающая плавучестью. В нижней части шламосборника 2 установлен патрубок для выхода шлама. Реактор 1 в нижней части оснащен патрубком для выхода обработанной воды.

В отличие от прототипа в отдельном корпусе выполнен электродный блок 4, снабженный в нижней части патрубком для подачи исходной воды, а в верхней части - переходным патрубком, соединяющим корпус электродного блока 4 с емкостью шламосборника 2. В электродном блоке 4 размещены в верхней части электроды электрокоагуляции 5, выполненные в виде пакета параллельных электродов: катодов из нержавеющей стали и растворимых анодов из сплава алюминия, а в нижней - электроды электрофлотации 6, выполненные также в виде пакета параллельных электродов: катодов из нержавеющей стали и малоизнашиваемых анодов, установленных соосно с анодами пакета электродов электрокоагуляции 5.

Катоды обеих групп электродов (электрокоагуляции 5 и электрофлотации 6) могут быть выполнены в виде общего пакета для обеих групп.

Кроме того, предлагаемое устройство содержит блок коммутации 8, позволяющий менять полярность анодов электродов электрокоагуляции 5 на противоположную.

В предлагаемом устройстве для электрохимической очистки воды течение обрабатываемой воды имеет отличительные особенности:

- насыщение обрабатываемой воды коагулянтом и флотационным агентом (водородом) осуществляют вне реактора в отдельно расположенном электродном блоке;

- в реактор поступает вода, прошедшая обработку электродами электрокоагуляции и электрофлотации в электродном блоке, содержащая перемешанные с флотореагентом (водородом) хлопья коагулянта, а в реакторе протекает процесс разделения.

Известно, что “ламинарное течение... - течение, при котором жидкость (или газ) перемещается слоями без перемешивания (СЭС, М.: Советская энциклопедия, 1987, с.685). В процессе заполнения реактора и в прототипе (фиг.3), и в предлагаемом устройстве (фиг.4) течение воды можно рассматривать как ламинарное (перемещение слоями без перемешивания), но с учетом возникающих в нижних слоях условий непроточного режима. Указанная особенность ламинарного течения создает различные условия протекания процессов флотации в прототипе и в предлагаемом устройстве.

В прототипе (фиг.3) вследствие непроточного (постепенно возрастающего по высоте при заполнении реактора) состояния обрабатываемой воды в реакторе пузырьки флотационных газов и хлопья коагулянта движутся от электродного блока по вертикали к поверхности воды, почти не перемешиваясь. Кроме того, в течение всего периода заполнения реактора весь его объем постоянно пополняется пузырьками флотореагента и хлопьями коагулянта.

Поскольку в предлагаемом устройстве в реактор поступает вода, содержащая коагулянт, перемешанный с флотореагентом (фиг.4), в реакторе уже в процессе его заполнения в нижних слоях заканчивается процесс разделения (очистки воды), а в вышележащих (до поверхности) образуется слой шлама, который после наполнения реактора поднимается в шламосборник. В последующий период обработки (при электрофлотации) в электродном блоке происходит депассивация анодов электродов электрокоагуляции, а в реакторе растворенные в воде пузырьки водорода, выделяясь из нее, захватывают мельчайшие частицы взвесей, осуществляя процессы, идентичные с напорной флотацией (см. Н.А. Лукиных. Б.Л. Липман, В.П. Криштул. Методы доочистки сточных вод. М.: Стройиздат, 1978, с.76-77).

Следует подчеркнуть, что турбулентное течение обрабатываемой воды в электродном блоке, во-первых, создает условия для максимального перемешивания обрабатываемой воды с пузырьками водорода, выделяющимися с катодов, и мицеллами и хлопьями гидроксида металла анодов электродов электрокоагуляции. Во-вторых, вследствие идеальных гидродинамических условий для контакта всей обрабатываемой воды с анодами электродного блока в значительной мере происходит обеззараживание воды уже на первом этапе ее обработки. Это подтверждается исследованиями Б.М. Матова (“чем больше жидкости будет иметь непосредственный контакт с поверхностью анода, тем эффективнее будет обеззараживающее действие установки”. Б.М. Матов. Электрофлотационная очистка сточных вод. Кишинев: Молдавеняска, 1982, с.124).

Работа предлагаемого устройства (фиг.2) происходит следующим образом. Исходная вода поступает в устройство через нижний патрубок электродного блока 4 и, перемещаясь между электродами в турбулентном потоке, подвергается обработке электродами электрофлотации 6 и электродами электрокоагуляции 5. Благодаря турбулентности вода активно перемешивается и насыщается пузырьками водорода с катодов электродного блока 4 и ионами алюминия с анодов электрокоагуляции 5. Образующиеся мицеллы гидроксида алюминия слипаются с пузырьками водорода и перемещаются с потоком обрабатываемой воды через переходной патрубок в верхней части электродного блока 4 в емкость шламосборника 2. В шламосборнике 2 начинается процесс разделения. Шлам, насыщенный пузырьками водорода, собирается к поверхности обрабатываемой воды, поступающей в емкость шламосборника 2. Обрабатываемая вода, содержащая некоторое количество не отделенных от нее взвесей (шлама), приподнимает крышку 3, обладающую плавучестью, и поступает в реактор 1. Благодаря низкой скорости обработанной воды в объеме реактора 1 его заполнение происходит ламинарным потоком. Это позволяет в процессе заполнения реактора 1 формироваться слою шлама на поверхности, что способствует более полному извлечению из поступающей в реактор 1 обрабатываемой воды различных примесей.

После наполнения реактора 1 и подъема обработанной воды в шламосборнике 2 выше горловины реактора отключают поступление воды на установку.

При отключении поступления воды коммутирующим устройством 8 меняют полярность анодов электродного блока электрокоагуляции.

Дальнейшая обработка представляет собой два независимо протекающих процесса: в реакторе 1 и в электродном блоке 4.

В реакторе 1 в процессе его заполнения основная масса шлама собирается на поверхности обрабатываемой воды и в виде постепенно утолщающегося слоя пены поступает в емкость шламосборника 2 над горловиной реактора 1. После остановки потока в воде, находящейся в реакторе, начинаются заключительные процессы разделения - удаления тончайших взвесей коагулянта, продолжающего образовываться из остатков мицелл гидроксида алюминия (удаление “хвостов”). Этому удалению способствуют мельчайшие пузырьки растворенного водорода, которые к этому периоду начинают выделяться из воды. Идет процесс флотации в непроточном режиме.

Одновременно в электродном блоке 4 идет процесс электрофлотации. Ее реализуют все катоды электродного блока и аноды электрокоагуляции, полярность которых изменена на противоположную, и малоизнашиваемые аноды электрофлотации. Такая работа электродного блока позволяет, во-первых, освободить межэлектродные пространства электродного блока от взвесей, которые в нем присутствуют как от исходной воды, так и от продуктов реакций на анодах электродов электрокоагуляции. Во-вторых, внутри электродного блока все пространство заполняется пузырьками водорода. Указанные процессы, протекающие в электродном блоке 4, способствуют наводороживанию алюминиевых пластин электродов электрокоагуляции 5, что приводит к их депассивированию и, следовательно, к увеличению срока активности анодов электрокоагуляции. Образующаяся пена поступает через переходной патрубок из электродного блока 4 в емкость шламосборника 2.

После подъема всего коагулянта в емкость шламосборника 2 электродный блок 4 отключают и проводят заключительный этап обработки воды - слив обработанной воды из реактора 1.

Сливу обработанной воды из реактора 1 предшествует сброс шлама из шламосборника 2. При этом крышка 3, обладающая плавучестью, опускаясь вместе с уровнем воды и шлама, удаляемого из шламосборника 2, выдавливает из горловины ректора 1 часть очищенной воды, препятствуя поступлению шлама в реактор.

После слива обработанной воды из реактора процесс электрохимической обработки воды повторяют с новой порцией воды.

Было изготовлено устройство, состоящее из реактора объемом 4 литра, в верхней части которого установлен шламосборник, а в нижней приварен патрубок для слива обработанной воды. Верхнее отверстие реактора накрыто крышкой в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающей плавучестью. Электродный блок устройства выполнен в отдельном корпусе, в верхней части которого размещен пакет электродов электрокоагуляции, а в нижней - пакет электродов электро флотации. При этом аноды электрокоагуляции изготовлены из сплава алюминия, аноды электрофлотации - из титана, покрытого оксидом кобальта (ОКТА). Аноды обеих групп установлены соосно: в верхней части электродного блока - аноды электрокоагуляции, в нижней - аноды электрофлотации. Катоды электродного блока изготовлены из нержавеющей стали и выполнены общими для обеих групп электродов. Рабочие площади обеих групп (электрокоагуляции и электрофлотации) выполнены одинаковыми. Аноды электродов электрокоагуляции соединены с источником питания через коммутирующее устройство, позволяющее менять полярность анодов электрокоагуляции.

В нижней части электродный блок оснащен патрубком для подачи исходной воды на обработку. В верхней части электродного блока установлен переходной патрубок, соединяющий электродный блок с емкостью шламосборника. Ёмкость шламосборника оснащена патрубком для выхода шлама. Устройство снабжено источником питания и управления, работающим от сети переменного тока 220 В. Источник питания обеспечивает подачу постоянного тока 2 А с напряжением 24 В на обе группы электродов электродного блока. Управление обеспечивает регулирование временных параметров процессов обработки и их автоматизацию.

Наполнение реактора экспериментального устройства осуществлялось за 4 мин. При силе тока 2 А на литр приходилось 120 Кл. Этим обеспечивалась необходимая энергия обработки. После отключения электродов электрокоагуляции в реакторе протекал процесс, идентичный напорной флотации, а в электродном блоке в течение 11 минут шел процесс электрофлотации. Слив обработанной воды из реактора длился 5 минут.

Основными показателями, характеризующими достижение намеченных изобретением целей, являются:

- мутность (в мг/л) как показатель эффективности процессов, протекающих в реакторе;

- сила тока (в амперах) как показатель депассивации анодов электрокоагуляции электродного блока.

По мутности были проведены сравнительные анализы воды, взятой с устройства-прототипа и экспериментального устройства непосредственно из реакторов без фильтрования.

Результаты анализов показали, что в устройстве-прототипе вода в реакторе содержит до 1,8 мг/л взвесей (минимально 0,8). В экспериментальном устройстве, реализующем предлагаемое техническое решение, максимальное содержание взвешенных примесей достигало 0,2 мг/л (минимально 0,0).

В течение всех опытов измерялась сила тока на электродах электрокоагуляции. Она была постоянной и равнялась 2 А.

Кроме того, были проведены эксперименты с образцом электродного блока. На протяжении более 250 обработок (соответствующих предлагаемому изобретению) сила тока на электродах имела тенденцию к возрастанию. После разборки образца измерение толщины алюминиевых анодов показало, что благодаря новому техническому решению можно ожидать увеличения сроков работы анодов электрокоагуляции практически до их полного растворения. Пассивирующий слой на электродах практически отсутствовал.

Таким образом, предложенное устройство для электрохимической очистки питьевой воды, реализованное и изученное на экспериментальной модели, показало высокую эффективность и соответствие целям изобретения.

Изобретение относится к устройствам электрохимической очистки питьевой воды и может быть использовано в бытовых условиях, а также в общественных учреждениях (предприятиях общественного питания, лечебных и детских учреждениях, офисах и пр.) и в качестве групповых средств очистки воды. Устройство содержит электродный блок, выполненный в отдельном корпусе и содержащий пакет параллельных катодов из нержавеющей стали и расположенные соосно между катодами аноды электрокоагуляции, выполненные из сплавов алюминия, и аноды электрофлотации, выполненные из малоизнашиваемого материала (платина, графит, углерод, титан, покрытый оксидами рутения или кобальта). Аноды электрокоагуляции соединены с источником питания через коммутирующее устройство, позволяющее менять их полярность. Электродный блок в нижней части снабжен входным патрубком, а в верхней части - переходным патрубком, соединяющим электродный блок с емкостью шламосборника. Шламосборник закреплен на верхней части реактора, на верхнем отверстии которого установлена крышка в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающая плавучестью. В нижней части реактор оснащен патрубком слива очищенной воды. Технический эффект - улучшение физико-химических и органолептических свойств питьевой воды. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для электрохимической очистки питьевой воды, содержащее электродный блок электрокоагуляции с пакетом параллельных катодов и растворимых анодов, электроды электрофлотации и реактор, в верхней части которого закреплена емкость шламосборника, при этом на верхнем отверстии реактора установлена крышка в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающая плавучестью, отличающееся тем, что электродный блок электрокоагуляции с пакетом параллельных катодов и растворимых анодов и электродами электрофлотации выполнен в отдельном корпусе, в верхней части которого размещены электроды электрокоагуляции, а в нижней части - электроды электрофлотации, при этом аноды электрофлотации и электрокоагуляции установлены соосно, а катоды являются общими для обеих групп электродов, причем снизу установлен входной патрубок, а сверху патрубок, соединяющий электродный блок с емкостью шламосборника.2. Устройство для электрохимической очистки питьевой воды по п.1, отличающееся тем, что оно содержит блок коммутации, меняющий полярность анодов пакета электродов электрокоагуляции после заполнения емкости шламосборника.3. Устройство для электрохимической очистки питьевой воды по пп.1 и 2, отличающееся тем, что аноды пакета электродов электрокоагуляции выполнены из сплавов алюминия, катоды электродов электрокоагуляции и электрофлотации выполнены из нержавеющей стали, а аноды электрофлотации - из малоизнашиваемых материалов.