СПОСОБ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ И ОСВЕТЛЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК C02F1/48 C02F103/02 

Изобретение предназначено для очистки водных растворов от частиц различной степени дисперсности и коррекции физико-химических свойств водных растворов для предотвращения шламообразования с использованием воздействия магнитных полей и может быть использовано в системах водяного отопления, охлаждения и других системах водоснабжения.

Известны способы для ускорения процессов коагуляции и осаждения примесей в аппаратах с однополярной магнитной системой и в диапазоне магнитной напряженности 280-1120 Э (0,028-0,112 Тл) [1].

Известен способ магнитного воздействия, который обеспечивает удаление загрязнений путем формирования твердой фазы в объеме воды при прохождении воды через однополярную систему магнитов с напряженностью Н=0,8-10,0 А/м (0,0010-0,0126 Тл), который реализуется в устройстве [2].

Известен способ магнитного воздействия для предотвращения выпадения карбонатных и других осадков в устройствах с магнитной системой чередующейся полярности и величиной магнитной индукции 0,06-0,10 Тл [3, 4].

Недостатком известных способов является низкая эффективность очистки в связи с отсутствием комплексного магнитного воздействия на компоненты (разной степени дисперсности) водных растворов для интенсификации их удаления и предотвращения образования карбонатных и других отложений.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сути и достигаемому результату является способ очистки жидкостей от взвешенных и коллоидных частиц инерционно-гравитационным осаждением с использованием магнитного воздействия на осаждаемые примеси, который используется в устройстве [5] и избран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что его реализация не может обеспечить достаточно высокую эффективность магнитного воздействия на дисперсные преобразования (агрегация, коагуляция, ассоциация в водных растворах).

В основу изобретения поставлена задача в способе магнитной обработки и осветления водных растворов и устройстве для его осуществления, путем последовательного прохождения водных растворов через магнитные поля, магнитная индукция которых возрастает в направлении движения потока водного раствора, обеспечить оптимальные условия поляризации частиц для повышения эффективности их дисперсных преобразований и степени удаления, а также оптимальные условия для предотвращения ассоциации противоионов.

Поставленная задача достигается в способе магнитной обработки и осветления водных растворов, состоящем в последовательном прохождении водных растворов через магнитные поля с разной величиной магнитной индукции, в котором на начальном этапе, когда поток водного раствора подвергают воздействию магнитного поля с меньшей величиной магнитной индукции, достигаются оптимальные условия поляризации для агрегации и коагуляции нерастворимых частиц, а на конечном этапе, когда поток водного раствора подвергают воздействию магнитного поля с большей величиной магнитной индукции - предотвращения ассоциации противоионов.

Поставленная задача может быть достигнута в способе магнитной обработки и осветления водных растворов благодаря тому, что поток водного раствора на начальном этапе подвергают воздействию магнитного поля с индукцией в пределах 0,1-0,2 Тл, на конечном - с индукцией в пределах 0,3-0,8 Тл, а время магнитного воздействия поля на начальном этапе в пределах 0,6-1,2 с, на конечном этапе в пределах 0,3-0,5 с.

Поставленная задача реализуется в устройстве для магнитной обработки и осветления водных растворов, включающем корпус с крышкой, который состоит из камеры осаждения и шламосборника, разделенных решеткой, перегородки, входной и выходной патрубки, размещенные в верхней части корпуса, патрубок отвода шлама, сетчатый фильтрующий элемент, магнитные системы, выполненные с разной величиной магнитной индукции, при этом величина магнитной индукции систем увеличивается в направлении движения потока водного раствора.

Поставленная задача может быть достигнута в устройстве для магнитной обработки и осветления водных растворов, в котором магнитные системы выполнены в виде магнитных стержней.

Поставленная задача может быть достигнута в устройстве для магнитной обработки и осветления водных растворов, в котором все стержни магнитных систем установлены с возможностью отвода их за пределы корпуса без снятия крышки и разгерметизаци корпуса.

Поставленная задача может быть достигнута в устройстве для магнитной обработки и осветления водных растворов, в котором в объеме сетчатого фильтрующего элемента размещена зернистая загрузка, например пенополистирол.

В результате реализации предлагаемого технического решения, в котором водные растворы последовательно пропускаются через магнитные поля, магнитная индукция которых возрастает в направлении движения потока водного раствора, осуществляется комплексное воздействие на все компоненты дисперсной системы. Известно [6], что воздействие внешнего магнитного поля вызывает сдвиг (деформацию) электронных облаков, который определяет поляризационные явления в растворе - изменения ближних и дальних взаимодействий между компонентами раствора (диполь-диполь, ион-противоион и т.д.), которые проявляются в изменениях химических, физико-химических свойств. В связи с отсутствием теоретических основ механизм воздействия магнитного поля поясняется на основе обобщения экспериментальных данных. Известно [6], что в результате воздействия магнитного поля изменяется поверхностное натяжение, которое в основном определяется диполь-диполь взаимодействиями. В связи с этим естественно ожидать изменение способности к смачиванию. На смачиваемой поверхности может образоваться адсорбционный шар из молекул растворителя и растворенных компонентов.

Таким образом, в результате воздействия магнитного поля изменяются основные факторы стойкости коллоидных частиц (адсорбционно-гидративный, электростатический). При этом способность к коагуляции частиц может увеличиваться или уменьшаться. Известно [7], что в результате воздействия магнитного поля изменяется (уменьшается) степень гидратации ионов, что способствует образованию ассоциатов, то есть, создаются благоприятные условия для выделения растворенных компонентов в твердую фазу. Образование ассоциатов-ионов можно объяснить как с точки зрения поляризационных эффектов (взаимодействие диполь-ион, ион-противоион), так и кинетических. В результате воздейтвия внешнего магнитного поля изменяется траектория движения ионов (дрейф противоионов), что определяет возможность повышения локальной концентрации противоионов и выделения их в твердую фазу. Известно [4], что эффектом воздействия магнитного поля может быть стабилизация раствора и предотвращение выделения растворимых компонентов в твердую фазу, поясняющаяся уменьшением вероятного сближения противоионов и образованием ассоциатов. Рассмотренные выше поляризационные и кинетические явления происходят одновременно, взаимно связаны между собой и проявляются как единый комплексный эффект воздействия магнитного поля, который зависит от определенных параметров: типа магнитной системы, времени обработки, гидродинамических и других условий. Учитывая степень влияния параметров, в предлагаемом решении реализуется тот принцип, что комплексный эффект воздействия магнитного поля, который проявляется как в стабилизации, так и в дестабилизации отдельных компонентов дисперсной системы, зависит от величины индукции (напряженности) магнитного поля и времени его воздействия на водный раствор.

На фиг.1 представлены графики зависимости изменения оптической плотности водного раствора после воздействия на него магнитных полей с разной величиной магнитной индукции от времени магнитного воздействия: кривая 1 - для магнитного поля с величиной магнитной индукции, равной 0,2 Тл; кривая 2 - для магнитного поля с величиной магнитной индукции, равной 0,6 Тл. Относительные изменения оптической плотности отвечают процессам: фазообразование - растворение - фазообразование. При этом достижению необходимого эффекта в системе с большей величиной индукции отвечает меньшее время воздействия и наоборот.

На начальном этапе обеспечиваются оптимальные условия поляризации для агрегации, коагуляции нерастворимых частиц, что позволяет повысить степень и скорость их удаления в камере осаждения под влиянием сил инерции и тяжести. При этом процессы дестабилизации обусловлены увеличением поверхностного натяжения воды на поверхности разделения фаз, усилением процессов адсорбции растворенных компонентов. Таким образом, одновременно в осадок переходят коллоидные частицы и часть растворенных компонентов.

Воздействие на поток водного раствора магнитного поля на начальном этапе проходит при условиях, что величина магнитной индукции составляет 0,2 Тл, а продолжительность воздействия - 0,6 с, в противоположность конечному этапу, когда магнитным полем с величиной магнитной индукции 0,6 Тл соответствующий эффект достигается при продолжительности воздействия поля 0,1 с. Это позволяет обеспечить процесс фазообразования в метастабильной области для укрупнения частиц, и таким образом, увеличение скорости их осаждения.

Использование на конечном этапе магнитного поля с большей величиной магнитной индукции позволяет обеспечить условия для предотвращения образования ионных ассоциатов, которые в дальнейшем могут быть центрами кристаллизации твердой фазы. При этом заряженные частицы двигаются более хаотично и непредсказуемо, что уменьшает возможность их сближения и последующие взаимодействия. Возможность обеспечения величины магнитной индукции в пределах 0,6 Тл позволяет сократить время воздействия магнитного поля до 0,4 с, в то время, как соответствующий эффект с использованием магнитной системы с меньшей величиной магнитной индукции обеспечивается за большее время, то есть 1,4 с.

Размещение на начальном этапе движения потока водного раствора магнитной системы с меньшей величиной магнитной индукции позволяет обеспечить оптимальные условия удаления коллоидных частиц и частично растворенных частиц за счет образования агрегатов в виде скоагулированных магнитных и немагнитных частиц и, таким образом, предотвратить быстрое загрязнение поверхности магнитной системы с большей величиной магнитной индукции, создавая оптимальные условия для следующей стабилизации раствора - предотвращение образования ассоциатов-противоионов.

Отдаленность магнитной системы с величиной магнитной индукции в пределах 0,1-0,2 Тл от магнитной системы с величиной магнитной индукции в пределах 0,3-0,8 Тл, позволяет разграничить процессы дестабилизации и стабилизаци солевой системы водного раствора соответственно каждому этапу прохождения потока через магнитные системы.

Выполнение магнитных систем в виде стержней уменьшает сопротивление потока водного раствора и его турбулентность для эффективного удаления загрязнений, а также способствует удобству обслуживания, которое обусловлено возможностью отвода стержневых магнитных систем за пределы корпуса без снятия крышки и разгерметизации корпуса в режиме регенерации.

Размещение в объеме сетчатого фильтрующего элемента зернистой загрузки позволяет повысить эффект удаления как нерастворимых (d=0,1-10 мкм), так и растворимых компонентов (например, ионов Fe⁺², Fe⁺³ путем их адсорбции на поверхности зерен загрузки.

Использование в качестве зернистой загрузки пенополистирола позволяет более точно откорректировать фракционный состав загрузки с целью обеспечения необходимого эффекта очистки, а также скорость фильтрования, предотвратить вынесение зерен через сетку.

На фиг.2 показан общий вид и разрез устройства для магнитной обработки и осветления водных растворов.

Устройство для магнитной обработки и осветления водных растворов включает корпус 1 с крышкой 2, который состоит из камеры осаждения 3 и шламосборника 4, разделенных решеткой 5, перегородки 6, входной 7 и выходной 8 патрубок, которые расположены в верхней части корпуса 1, патрубок отвода шлама 9, магнитную систему 10 с меньшей величиной магнитной индукции 10, сетчатый фильтрующий элемент 11, зернистую загрузку 12, магнитную систему 13 с большей величиной магнитной индукции.

Устройство для магнитной обработки и осветления водных растворов работает следующим образом.

Поток среды, который подлежит очистке, например поток питательной воды системы отопления, поступает из входного патрубка 7 (фиг.2) в камеру осаждения 3, расположенную в корпусе 1. На начальном этапе, когда поток водного раствора подвергают воздействию магнитного поля с величиной магнитной индукции в пределах 0,1-0,2 Тл на протяжении 0,6-1,2 с, (фиг.1, кривая 1), обеспечивают осаждение частиц с большей магнитной восприимчивостью на магнитной системе 10 (фиг.2) и их укрупнение. При этом получаются большие по массе агрегаты в виде скоагулированных магнитных и немагнитных частиц, скорость осаждения которых увеличивается на 30%. Таким образом, преобладающая часть загрязнений из водных растворов удаляется гравитационно-инерционным осаждением в шламосборник 4, проходя систему перегородок в (табл.1):

Эффект изъятия частиц загрязнений из водных растворов, %

На отдаленный конечный этап, т.е. после прохождения магнитной системы 10, поступает поток водного раствора с частицами с меньшей магнитной восприимчивостью и мелкими немагнитными частицами. Воздействие магнитного поля с величиной магнитной индукции в пределах 0,3-0,8 Тл составляет 0,3-0,5 с (фиг.1, кривая 2), что обеспечивает осаждение частиц с меньшей магнитной восприимчивостью на магнитной системе 13 (фиг.2) и стабилизацию солевой системы.

Более легкие магнитные и немагнитные частицы задерживаются сетчатым фильтрующим элементом 11. Эффект их удаления при наличии зернистой загрузки 12, например пенополистирола, увеличивается в 2-4 раза. Таким образом, из камеры осаждения 3 в выходной патрубок 8 поступает осветленный водный раствор.

Уменьшение выпадения шлама в объеме водного раствора и на поверхности теплообмена, %, в результате воздействия магнитного поля

Таким образом, предложенное техническое решение, использованное в системах водяного отопления, позволяет уменьшить выпадение из воды карбонатов, фосфатов, сульфатов с образованием осадка как в форме шлама, так и плотной накипи на поверхности теплообмена (табл.2).

Использованная информация

1. Магнитная обработка промышленных вод "УКР НИИНТИ". 1988, №12, с.21.

2. Патент США №4289621, кл. 210/222 (В 01 D 35/06).

3. Заявка 4107512, ФРГ, МПК 5 С 02 F 1/48.

4. Новое устройство для магнитной обработки воды. Prodfinish - 1990-93, п. 1 - с. 28 - Англия.

5. Патент России №2175954, кл. С 02 F 1/48 // С 02 F 103:02.

6. Душкин С.С., Евстратов В.Н. Магнитная водоподготовка на химических предприятиях. М.: Химия, 1986, с.136.

7. Солдатов В.С. Простые ионообменные равновесия. Минск: Наука, 1972, с.224.

Группа изобретений предназначена для очистки водных растворов от частиц различной степени дисперсности и коррекции физико-химических свойств водных растворов для предотвращения шламообразования в системах водяного отопления, охлаждения и водоснабжения. Способ состоит в последовательном прохождении водного потока через магнитные поля с разной величиной магнитной индукции и обеспечении оптимальных условий поляризационных процессов и предотвращения ассоциации противоионов. Устройство состоит из корпуса с крышкой, камеры осаждения, шламосборника, перегородок, входного и выходного патрубков, патрубка отвода шлама, магнитных систем с величиной магнитной индукции, которая увеличивается в направлении движения потока, сетчатого фильтрующего элемента. Технический результат состоит в получении осветленного водного раствора со стабилизированной солевой системой, что способствует защите оборудования в системах водяного отопления, охлаждения и других системах водоснабжения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ магнитной обработки и осветления водных растворов, состоящий в последовательном прохождении водных растворов через магнитные поля с разной величиной магнитной индукции, отличающийся тем, что на начальном этапе поток водного раствора подвергают воздействию магнитного поля с величиной магнитной индукции в пределах 0,1-0,2 Тл в течение 0,6-1,2 с, обеспечивая поляризацию для агрегации, коагуляции нерастворимых частиц, а на конечном этапе поток водного раствора подвергают воздействию магнитного поля с величиной магнитной индукции в пределах 0,3-0,8 Тл в течение 0,3-0,5 с для предотвращения ассоциации противоионов.2. Устройство для магнитной обработки и осветления водных растворов, включающее корпус с крышкой, который состоит из камеры осаждения и шламосборника, разделенных решеткой, перегородки, входной и выходной патрубки, размещенные в верхней части корпуса, патрубок отвода шлама, магнитные системы, сетчатый фильтрующий элемент, отличающееся тем, что магнитные системы выполнены в виде стержней с разной величиной магнитной индукции, при этом величина магнитной индукции систем увеличивается в направлении движения потока водного раствора.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что все стержни магнитных систем установлены с возможностью отвода их за пределы корпуса без снятия крышки и разгерметизации корпуса.4. Устройство по любому из пп.2 и 3, отличающееся тем, что в объеме сетчатого фильтрующего элемента размещена зернистая загрузка.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве зернистой загрузки использован пенополистирол.