СТАНЦИЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 2006 года по МПК C02F1/467 

Изобретение предназначено для обеззараживания питьевой воды и может быть использовано на водопроводно-канализационных сооружениях. Изобретение может найти применение для хлорирования жидкостей в химической, медицинской и др. отраслях промышленности, а также для получения хлора и каустика в малотоннажных производствах.

Известными и широко распространенными являются хлораторные станции обеззараживания воды, осуществляющие хлорирование посредством использования завозимого жидкого хлора в баллонах или контейнерах (Абрамов Н.Н., Водоснабжение - М.: Стройиздат, 1982, с. 280-290).

Недостатком таких станций является использование высокотоксичного хлора, способного в случае утечки поражать не только обслуживающий персонал, но и население районов, прилегающих к водопроводным очистным сооружениям.

Известна установка для обеззараживания воды с использованием электролизеров для получения жидкого хлорирующего агента в виде гипохлорита натрия (Слипченко В.А. Совершенствование технологии очистки и обеззараживания воды, Киев, 1988 г., с 60-70).

Установка состоит из блока приготовления и дозирования хлорида натрия, бака-накопителя гипохлорита натрия и бездиафрагменного электролизера. При работе в такой установке происходит электрическое разложение хлорида натрия, на аноде образуется хлор, на катоде - гидроокись натрия и водород, далее в электролизере хлор и гидроокись натрия связываются в гипохлорит натрия.

Возникновение аварийных ситуаций на данной установке значительно снижено, т.к. хлор быстро переходит в связанное состояние. Недостатком данной установки является невысокий выход хлорирующего агента и большие энергозатраты.

Наиболее близкой к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является установка для получения жидкого хлорирующего агента (RU 2090519 С1, 1997, кл. C 02 F 1/76, С 25 В 1/26). Установка включает электролизер, блок приготовления и дозирования раствора электролита, систему коммуникаций, при этом в качестве электролизера использован электролизер с разделенными анодной и катодной камерами, установка также содержит проточную магистраль для воды, эжектор, установленный в проточной магистрали для воды, и коллектор - сепаратор. Блок приготовления и дозирования раствора электролита включает растворный блок, осмотический дозатор и трубопроводы, образующие циркуляционный контур электролита. Установка также содержит блок очистки раствора электролита от солей жесткости.

Недостатком данной установки является невысокая бактерицидная активность получаемого дезинфектирующего агента.

Задачей данного изобретения является создание станции (установки), обеспечивающей обеззараживание воды с помощью дезинфектантов, не представляющих опасности (невзрывоопасных) и обладающих повышенной бактерицидной активностью.

Поставленная задача решается предложенной моделью станции обеззараживания воды, включающей электролизер, узел растворения и дозирования хлорида натрия, эжектор, коммуникации, отличающейся тем, что между электролизером и эжектором установлены накопитель щелочи, теплообменник и насос, составляющие единый контур, а узел растворения и дозирования состоит из регулировочного бачка, солевого бака, насоса-дозатора, ротаметра и аккумулирующей емкости.

Электролизер состоит из нескольких биполярных элементов, имеющих прямоугольную форму и включающих рамку, анодную и катодную камеры, разделенные перегородкой, причем рамка электродного элемента образована сваренными в углах стальными полосами, торцы которых защищены с анодной стороны титаном, а перегородка выполнена из биметаллического листа (сталь+титан). Кроме того, катодный элемент представляет собой перфорированный или просечной лист из углеродной стали, приваренный к токоведущим ребрам катодной камеры, а анодным элементом является перфорированный или просечной лист из титана, покрытый окислами рутения и титана и приваренный к токоведущим ребрам анодной камеры, а между электродными элементами установлена ионообменная сульфокатионитная мембрана.

Отличие предложенной модели от прототипа состоит в том, что между электролизером и эжектором установлен циркуляционный контур состоящий из накопителя щелочи, теплообменника и насоса. Введение данного контура в схему станции позволяет дополнительно проводить после электролиза получение гипохлорита натрия. Процесс протекает следующим образом: образующийся в катодной камере едкий натр через накопитель и теплообменник с помощью насоса подается в эжектор, где смешивается с поступающим хлором, при этом протекают следующие химические реакции:

В результате в предлагаемой схеме в дополнение к образующимся хлорирующим агентам прибавляется гипохлорит натрия, усиливающий бактерицидную активность дезинфектанта в целом. Присутствие циркулирующей щелочи в контуре снижает опасность выбросов хлора в атмосферу, т.к. он практически сразу связывается не только водой, но и щелочью, что повышает надежность работы станции в целом.

Другое отличие состоит в том, что узел растворения и дозирования включает регулировочный бачок, солевой бак, насос-дозатор, ротаметр и аккумулирующую емкость.

Использование регулировочного бачка позволяет вести приготовление раствора заданной концентрации, не допуская перелива, а введение в схему насоса-дозатора и аккумулирующей емкости позволяет использовать ротаметры, обеспечивающие плавную подачу электролита в электролизер с заданной скоростью и поддерживать в его камерах концентрацию электролита в строго определенном интервале 300-320 г/дм³, т.к. из научно-технической литературы известно, что максимальный выход продуктов электролиза по току в процессах с использованием мембранных электролизеров приходится на этот интервал. Следовательно, предложенный узел растворения и дозирования хлорида натрия позволяет повысить выход хлорирующего агента, а значит бактерицидную активность получаемого дезинфектанта.

Применение в схеме станции электролизера с одним или несколькими биполярными элементами прямоугольной формы, состоящими из рамки, анодной и катодной камер, разделенных перегородкой из биметаллического листа (сталь+титан), обеспечивает ведение электрохимического процесса при относительно низких энергозатратах, а значит повышает экономичность работы станции.

Кроме того, изготовление катодного элемента в виде перфорированного или просечного листа из стали, а анодного элемента - из титана, покрытого окислами рутения и титана, приваренных к токоведущим ребрам катодной и анодной камер соответственно, а также использование сульфокатионитной мембраны между ними обеспечивает стабильность электрохимических показателей процесса в течение длительного времени.

Таким образом, поскольку у предложенной модели станции обеззараживания воды появляются новые свойства, последняя обладает существенными отличиями.

Из научно-технической литературы авторам неизвестно применение в системе хозяйственного водоснабжения установки обеззараживания воды, включающей после электролизера замкнутый контур, состоящий из накопителя щелочи, теплообменника и насоса и позволяющий получать дополнительно гипохлорит натрия.

Использование указанных признаков в предлагаемой схеме станции обеззараживания воды позволяет получать дезинфектант без использования жидкого хлора, что исключает возможность залпового выброса ядовитых и токсичных веществ в атмосферу и практически сводит к минимуму вероятность возникновения аварий. Получаемый дезинфектант представляет собой раствор хлора в воде с примесью гипохлорита натрия и диоксида хлора, каждый из которых является дезинфицирующим агентом, что повышает бактерицидную активность дезинфектанта в целом.

На фиг.1 приведена принципиальная технологическая схема станции обеззараживания воды.

Предлагаемая станция обеззараживания воды включает: узел дозирования и растворения хлорида натрия, состоящий из регулировочного бачка 1, солевого бака 2, насоса-дозатора 3, аккумулирующей емкости 4, ротаметра 5. Станция также включает электролизер мембранный 6, эжектор 7, фильтр очистки воды, поступающей в электролизер 8, накопитель щелочи 9, насос 10, теплообменник 11, резервную накопительную емкость 12, контактный резервуар 13, тиристорный выпрямитель тока 14.

На фиг.2 представлен электролизерный блок мембранного биполярного электролизера, состоящий из биполяра 15, монополяра анода 16, монополяра катода 17, прижимной рамы 18, опорной рамы 19, биметаллической плиты 20, листа перфорированного или просечно-вытяжного 21, ионообменной сульфокатионитной мембраны 22.

Станция работает следующим образом:

В солевой бак 2 загружают хлорид натрия (поваренную соль) по ГОСТ 13830, сорт "Высший" или "Экстра", одновременно подают на растворение водопроводную воду из расчета получения раствора хлорида натрия с концентрацией 300-320 г/дм³.

Регулировочный бачок 1 позволяет производить автоматическое отключение воды и не допускать перелива раствора из бака. Далее через насос-дозатор 3 приготовленный раствор электролита подают в аккумулирующую емкость 4, которая служит буфером, позволяющим поддерживать заданную скорость подачи электролита постоянной концентрации в мембранный электролизер и плавно ее регулировать с помощью ротаметра 5. В электролизере 6 происходит процесс электрохимического разложения раствора хлорида натрия, на аноде выделяется хлор, который засасывается в эжектор 7 и поступает в воду, при этом в магистраль подается хлорирующий агент, состоящий из раствора хлора в воде (хлорной воды) и примесей диоксида хлора и гипохлорит-иона, образование которых обусловлено протеканием следующих реакций:

Образующийся в катодной камере католит в виде 10-20% раствора едкого натра поступает в накопитель щелочи 9, откуда насосом 10 через теплообменник 11 подается в эжектор 7. Теплообменник представляет собой кожухотрубчатый аппарат типа "труба в трубе" и предназначен для охлаждения католита до температуры не выше 36°С, охлаждающим агентом является вода. Заданный уровень температуры необходим для протекания реакций образования гипохлорита натрия с максимальным выходом.

Получаемый гипохлорит натрия смешивается с хлорирующим агентом, поступающим в эжектор из анодной камеры электролизера, при этом содержание активного хлора в дезинфектанте повышается и составляет 0,9-2,0 г/дм³. В системе коммуникаций станции предусмотрена подача готового дезинфектанта как в контактный резервуар 13, так и в резервную накопительную емкость 12. Электрический ток на электролизер подается через тиристорный выпрямитель тока 14.

Станция обеззараживания воды может комплектоваться электролизерами различной производительности (25, 50, 100, 150, 300, 900 кг активного хлора в сутки), которые отличаются от базовой модели количеством биполярных элементов.

Получаемый на станции по данному изобретению дезинфектант обладает повышенной бактерицидной активностью, что подтверждается результатами испытаний (табл.1).

Таблица 1
Результаты испытаний по бактерицидной активности хлорирующих агентовМикроорганизмыВремя обеззараживания, минС хлора (по прототипу), мг/дм³С хлора (по дан.изобр.), мг/дм³0,30,40,50,30,40,5Esherichia coli906242735130Proteus vulgaris1258656916744Ps. aeruginosa11810184906748Str. faecalis1029479908064

В загрязненную различными бактериями воду подавали хлорирующие агенты, полученные по прототипу и по данному изобретению, и фиксировали время, необходимое для уменьшения количества микроорганизмов на 99,9%. Сопоставление представленных данных показывает, что обеззараживание по изобретению происходит быстрее в среднем в 1,2-1,6 раза, чем по прототипу, следовательно, для надежного обеззараживания воды за нормируемое время контакта необходимо меньшее количество такого дезинфектанта. Таким образом, полученный по данному изобретению дезинфектант обладает повышенной бактерицидной активностью.

Из изложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной цели, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.

Станция предназначена для обеззараживания питьевой и сточной воды и может быть использована на водопроводно-канализационных сооружениях, а также может найти применение для хлорирования жидкостей или производства хлора и каустика в химической, медицинской и др. отраслях промышленности. Станция обеззараживания воды включает электролизер, узел растворения и дозирования хлорида натрия, эжектор, коммуникации. Между электролизером и эжектором установлен циркуляционный контур, содержащий накопитель щелочи, теплообменник и насос. Узел растворения и дозирования состоит из регулировочного бачка, солевого бака, насоса-дозатора, ротаметра и аккумулирующей емкости. Электролизер включает несколько биполярных элементов, имеющих прямоугольную форму и включающих рамку, анодную и катодную камеры, разделенные перегородкой, причем рамка электродного элемента образована сваренными в углах стальными полосами, торцы которых защищены с анодной стороны титаном, а перегородка выполнена из биметаллического листа - сталь и титан. Кроме того, катодный элемент представляет собой перфорированный или просечной лист из углеродистой стали, приваренный к токоведущим ребрам катодной камеры, а анодным элементом является перфорированный или просечной лист из титана, покрытый окислами рутения и титана и приваренный к токоведущим ребрам анодной камеры. Между электродными элементами установлена ионообменная сульфокатионитная мембрана. Технический эффект - повышение бактерицидной активности получаемых дезинфектантов, обеспечение взрывобезопасности процесса. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Станция обеззараживания воды, включающая электролизер, узел растворения и дозирования хлорида натрия, эжектор, коммуникации, отличающаяся тем, что между электролизером и эжектором установлен циркуляционный контур, содержащий накопитель щелочи, теплообменник и насос, а узел растворения и дозирования состоит из регулировочного бачка, солевого бака, насоса-дозатора, ротаметра и аккумулирующей емкости.2. Станция обеззараживания воды по п.1, отличающаяся тем, что электролизер включает несколько биполярных элементов, имеющих прямоугольную форму и включающих рамку, анодную и катодную камеры, разделенные перегородкой, причем рамка электродного элемента образована сваренными в углах стальными полосами, торцы которых защищены с анодной стороны титаном, а перегородка выполнена из биметаллического листа - сталь и титан.3. Станция по п.2, отличающаяся тем, что катодный элемент представляет собой перфорированный или просечной лист из углеродистой стали, приваренный к токоведущим ребрам катодной камеры; анодным элементом является перфорированный или просечной лист из титана, покрытый окислами рутения и титана и приваренный к токоведущим ребрам анодной камеры, а между электродными элементами установлена ионообменная сульфокатионитная мембрана.