СПОСОБ СТЕРИЛИЗАЦИИ ВОДНЫХ СИСТЕМ Российский патент 2006 года по МПК C02F1/36 

Описание патента на изобретение RU2284964C1

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к обеззараживанию как питьевой, так и сточной воды, может быть использовано в сельском и коммунальном хозяйствах, а также пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности. Предлагаемое изобретение является актуальным для стерилизации водных систем при чрезвычайных ситуациях.

Известные способы обеззараживания, основанные на термическом, химическом воздействии на микроорганизмы, ультрафиолетовом облучении, не являются универсальными. Термические требуют специальной энергоемкой аппаратуры, при химическом обеззараживании используют высокоагрессивные реагенты, обеззараживание при помощи ультрафиолетовых ламп малоэффективно при уничтожении спорообразующих бактерий [Блинов Н.П. Химическая микробиология: Учебник для студентов вузов, обучающихся по спец. «Биотехнология». - Москва: Высшая школа, 1989. - 448 с.].

Среди химических методов обеззараживания водных сред самым распространенным является хлорирование, которое уничтожает вредные для человека микроорганизмы, но при этом образует не менее вредные производные - хлорорганические соединения [Драгинский В.Л., Алексеева Л.П. Образование токсичных продуктов при использовании различных окислителей для очистки воды//Журнал водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - №2. - С.43-45]. Повышенная опасность хлорных реагентов, технические и экономические проблемы приведения их в соответствие с современными требованиями вынуждают предприятия жилищно-коммунальной сферы обращаться к замене хлорирования на альтернативные, более безопасные технологии обработки воды.

Применяемые в настоящее время в промышленности такие методы обеззараживания, как озонирование и ультрафиолетовая обработка, не могут считаться универсальными, так как не обеспечивают эффективного обеззараживания при наличии в воде коллоидных частиц или органических соединений естественного или искусственного происхождения [Савлюк О.С. и др. Изучение обеззараживания питьевой воды в макетной УФ-установке //Химия и технология воды. - 1993. -№15. - С.11-12].

Все более возрастающее загрязнение природных вод микроорганизмами, устойчивых к действию химических дезинфектантов (вирусы, споровые формы, цисты простейших), предопределяет необходимость применения высоких доз реагентов либо других безопасных методов, к таким относятся физико-химические методы очистки воды [Коваленко Н.А. и др. Адсорбционно-каталитическая очистка и обеззараживание питьевой воды//Журнал водоснабжение и санитарная техника. - 2003. - №5. - С.37-38].

Особый интерес представляет метод кавитационного воздействия. Гидродинамическая кавитация может сопровождаться рядом физико-химических эффектов, например искрообразованием и люминесценцией. При схлопывании кавитационных пузырьков кинетическая энергия движения вещества (движение оболочки пузырька к центру) переходит в энергию активации химических реакций. Температура жидкости поднимается, происходит реакция термического разложения. Кроме того, в жидкости возникает кавитационно-кумулятивный эффект. Кумуляция является следствием образования ударных волн давления при дроблении каверны и схлопывании образующихся кавитационных пузырьков. В конечной стадии захлопывания кавитационных пузырьков, в начале расширения кавитационной полости, при сверхзвуковом течении пузырьковой смеси в жидкости возникают плоские и сферические ударные волны, мощные кратковременные импульсы давления, образуются кумулятивные микроструйки, скорость которых достигает несколько сотен метров в секунду [Федоткин И.М., Гулый И.С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности. - Киев: Полиграфкнига, 1997. - 840 с.].

Вышеперечисленные физико-химические эффекты, возникающие в жидкой среде под воздействием кавитации, широко используются в разных отраслях промышленности, в том числе и для очистки и обеззараживания разного рода жидкостей.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ обеззараживания воды синергетическим воздействием. Для осуществления способа в проточных объемах проводят гидродинамическую кавитационную обработку потока воды и последующую обработку ультрафиолетовым облучением, причем гидродинамическую кавитацию осуществляют ступенчато с помощью дополнительно устанавливаемых возбудителей кавитации, при этом перед началом кавитационной обработки поток воды сужают до достижения скорости потока 19,0-28,0 м/с, для чего площади поперечных сечений ступеней выбирают, исходя из соотношений:

S=(13,2-14,6)*10-6*Q,

где S - площадь поперечного сечения первой ступени, м2;

Q - расход воды, м3/ч;

(13,2-14,6)10-6 - коэффициент, определяющий обратную величину скорости потока воды перед первой ступенью возбудителей, ч/м.

Ультрафиолетовое облучение проводят интенсивностью 13,5-15,0 мДж/см2 [Патент РФ 2209772 7 С 02 F 1/50, «Способ обеззараживания воды синергетическим воздействием» /Флегентов И.В., Дегтерев Б.И., Беляев А.Н.].

К недостаткам данного способа можно отнести следующее:

- низкую эффективность гидродинамического кавитационного воздействия на жидкую среду, что обусловлено тем, что зоны кавитации в реакторе привязаны к определенному возбудителю кавитации, и не формируются во всем объеме реактора;

- процесс кавитационной обработки проводят при скорости потока 19-28 м/с, что не обеспечивает интенсивность кавитации достаточной для полной стерилизации находящихся в жидкости микроорганизмов и обуславливает необходимость применения стадии ультрафиолетового облучения, что ведет к увеличению энергетических затрат на проведение процесса;

- ультрафиолетовое облучение является малоэффективным при обработке мутных жидких систем и к тому же применение ультрафиолетовых ламп ведет к их биообрастанию, что также снижает эффективность обеззараживания.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение способа обеззараживания повышением кавитационого воздействия на водную систему за счет предварительной активации.

Поставленная задача решается предложенным способом стерилизации водных систем с использованием кавитационого эффекта при прохождении водной системы через генератор кавитации проточного типа, в котором перед кавитацией осуществляют предварительную активацию водной системы с помощью насадки, установленной перед кавитатором, за счет создания в насадке скорости потока водной системы 32-36 м/с и давления в насадке 20-30 атм, причем длину насадки определяют из соотношения L=(66,6-68,6)d,

где L - длина насадки, мм;

d - диаметр насадки, мм;

(66,6-68,6) - коэффициент, определяющий потери напора на трение.

В насадке создаются высокие значения гидравлического сопротивления потока и коэффициента трения жидкости о стенки насадки, температура обрабатываемой жидкости повышается, кинетическая энергия движения жидкости переходит в энергию химических превращений компонентов жидкой системы, внутренняя энергия системы повышается за счет градиента давления, растворенный в жидкости кислород переходит в активную форму, увеличивается количество взаимодействий компонентов системы, растет число активных взаимодействий микроорганизмов друг с другом и с поверхностью насадки, в результате чего происходит частичное окисление присутствующих в жидкости органических загрязнителей, начинается процесс разрушения защитных оболочек микроорганизмов, гибель части живых и ослабленных микроорганизмов.

Схема установки для реализации способа кавитационного обеззараживания жидких систем представлена на фиг.1.

Принципиальная схема содержит емкость с обрабатываемой жидкостью 1; вентиль 2, насос 3; манометр 4, генератор кавитации 5; стерильную емкость 6. Обрабатываемая жидкость из емкости 1 через вентиль 2 насосом 3 подается в трубчатую насадку, причем скорость потока обрабатываемой жидкости составляет 32-36 м/с, давление, создаваемое потоком в насадке, 20-30 атм, а длина насадки определяется из соотношения L=(66,6-68,6)d. Затем поток жидкости подается в генератор кавитации 5 (манометром 4 проводится контроль давления на входе в кавитатор), здесь происходит образование короткоживущих паровых пузырьков в тех областях потока, в которых падает давление, попадая вместе с потоком воды из области низкого давления в область высокого давления, такой пузырек схлопывается [Патент 1614241 24.05.91. Гидрокавитационный генератор Родионова В.П. /Родионов В.П.]. Пузырьки эти образуются на неоднородностях, в качестве которых служат микробы. Импульсы давления, возникающие в кавитационных пузырьках, обусловливают мгновенные разрывы микроорганизмов и простейших, находящихся в водной среде. Такие высокие локальные ударные давления на поверхности микробов, соприкасающихся в жидкости со схлопывающимися кавитационными пузырьками, и возникающие кумулятивные микроструи вызывают эрозионное разрушение. Обработанная жидкость поступает в стерильную емкость 6.

Пример 1. Исходную зараженную водную систему из емкости 1 через вентиль 2 насосом 3 подают в трубчатую насадку, причем скорость потока обрабатываемой жидкости составляет 32 м/с, давление, создаваемое потоком в насадке, 20 атм, диаметр насадки 5 мм, а длина насадки определяется из соотношения L=(66,6-68,6)d, L=66,6*5=333 мм. Затем поток жидкости подается в генератор кавитации 5, в нем происходит образование короткоживущих паровых пузырьков в тех областях потока, в которых падает давление, попадая вместе с потоком воды из области низкого давления в область высокого давления, такой пузырек схлопывается. Импульсы давления, возникающие в кавитационных пузырьках, обусловливают мгновенные разрывы микроорганизмов и простейших, находящихся в водной среде. Обработанная жидкость поступает в стерильную емкость 6. Степень стерилизации составила 99%. Параметры выполнения способа при других условиях приведены в таблице 1.

Таблица 1ПримерДавление на выходе из насоса, р, атмДиаметр насадки, d, ммДлина насадки, L, ммСкорость потока жидкости,
v, м/с
Степень стерилизации,
%
120533332992215337,53299322534333994236400,834995246403,234100625640535997267475,335998277480,236100930854436100

Сравнительная характеристика предлагаемого способа и прототипа представлена в таблице 2.

Таблица 2СпособСкорость потока жидкости,
м/с
Степень стерилизации после кавитационной обработки, %Степень стерилизации после ультрафиолетового облучения, %
Прототип19-282899Предлагаемый32-36100-

Таким образом, применение предлагаемого способа стерилизации позволяет отказаться от стадии ультрафиолетовой обработки водной системы, чем значительно упростить способ обеззараживания, а также снизить материальные и энергетические затраты.

Похожие патенты RU2284964C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ОЧИСТКИ ЖИДКИХ СРЕД И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2014
  • Свищев Александр Иванович
  • Журавлев Игорь Евгеньевич
  • Сотников Виталий Николаевич
  • Масюк Ирина Борисовна
  • Иванютенко Юрий Александрович
  • Беляев Андрей Вячеславович
RU2585635C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ 2011
  • Масик Игорь Васильевич
  • Филиппов Игорь Анатольевич
  • Либерцев Александр Михайлович
  • Тураев Рамзан Мухданович
RU2466099C2
СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПИТЬЕВОЙ И СТОЧНЫХ ВОД И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2006
  • Петраков Александр Дмитриевич
  • Радченко Сергей Михайлович
  • Гурков Виктор Васильевич
RU2328449C2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ СТОЧНЫХ И ПРИРОДНЫХ ВОД 2006
  • Петраков Александр Дмитриевич
  • Радченко Сергей Михайлович
  • Гурков Виктор Васильевич
RU2328450C2
СПОСОБ ПОДВОДНОГО МАССАЖА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И КАВИТАТОР ДЛЯ ПОДВОДНОГО МАССАЖА 2017
  • Родионов Виктор Петрович
RU2647329C1
Способ и установка для кавитационно-реагентной очистки внутреннего пространства пылеуловителя мультициклонного типа 2018
  • Омельянюк Максим Витальевич
  • Пахлян Ирина Альбертовна
RU2690930C1
Дисковый кавитационный аппарат для обработки жидких и вязких сред 2017
  • Елисеев Максим Игоревич
RU2666418C1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ 2003
  • Зиберт Г.К.
  • Запорожец Е.П.
RU2240984C1
Кавитационно-озонная мембранная установка 2020
  • Бобков Андрей Андреевич
  • Шахов Сергей Васильевич
  • Панов Сергей Юрьевич
  • Молоканова Лариса Витальевна
  • Куцов Сергей Владимирович
RU2758389C1
СПОСОБ СТЕРИЛИЗАЦИИ ВОДЫ И ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ СРЕД 2008
  • Шестаков Сергей Дмитриевич
RU2366347C1

Реферат патента 2006 года СПОСОБ СТЕРИЛИЗАЦИИ ВОДНЫХ СИСТЕМ

Изобретение относится к охране окружающей среды, а именно к обеззараживанию как питьевой, так и сточной воды, может быть использовано в сельском и коммунальном хозяйствах, а также пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности. Способ включает использование кавитационного эффекта при прохождении водной системы через генератор развитой кавитации проточного типа. Перед кавитацией осуществляют предварительную активацию водной системы с помощью насадки. В насадке создаются высокие значения гидравлического сопротивления потока и коэффициента трения жидкости о стенки насадки, температура жидкости повышается, кинетическая энергия движения жидкости переходит в энергию химических превращений компонентов жидкой системы. Применение способа позволяет отказаться от ультрафиолетовой обработки водной системы. Технический результат состоит в упрощении способа, снижении материальных и энергетических затрат. 1 ил., 2 табл.

Формула изобретения RU 2 284 964 C1

Способ стерилизации водных систем с использованием кавитационного эффекта при прохождении водной системы через генератор развитой кавитации проточного типа, отличающийся тем, что перед кавитацией осуществляют предварительную активацию водной системы с помощью насадки, установленной перед кавитатором, за счет создания в насадке скорости потока водной системы 32-36 м/с и давления в насадке 20-30 атм, причем длину насадки определяют из соотношения

L=(66,6÷68,6)d,

где L - длина насадки, мм;

d - диаметр насадки, мм;

(66,6÷68,6) - коэффициент, определяющий потери напора на трение.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2006 года RU2284964C1

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР 1999
  • Кириленко В.Н.
  • Брулев С.О.
RU2166155C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОТОК ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ 2001
  • Осипенко Сергей Борисович
RU2207449C2
ГИДРОКАВИТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО 2003
  • Ларин В.И.
RU2236915C1
GB 1446998 А, 18.08.1976.

RU 2 284 964 C1

Авторы

Косулина Татьяна Петровна

Дедикова Татьяна Григорьевна

Лукаш Роман Михайлович

Даты

2006-10-10Публикация

2005-02-28Подача