УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 2008 года по МПК C02F1/46 

Область применения

Изобретение относится к области прикладной электрохимии, в частности к устройствам для очистки, обеззараживания и кондиционирования питьевой воды, и может быть использовано во всех областях деятельности человека, в которых требуется применение и использование питьевой воды.

Предшествующий уровень техники

В результате техногенной деятельности человека пресная вода многих поверхностных и подземных источников оказалась загрязненной вредными примесями. Кроме того, в воде увеличилось содержание ионов металлов, оказывающих токсическое действие на организм человека при любых, даже самых малых, концентрациях, например Hg²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺, а также возросли до вредных концентрации ионов, полезных только в микроколичествах, таких как Fe³⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ и др.

В этих условиях в процессах очистки питьевой воды одно из важнейших мест занимают стадии обработки, позволяющие перевести растворенные в воде примеси в нерастворимую форму с последующим удалением этих примесей. При этом необходимо создать условия, при которых возможна сорбция на частицах нерастворимых примесей других растворенных соединений и их совместное удаление.

На практике широкое распространение получили устройства, в которых для очистки воды и регулирования ее состава используются фильтрационные и сорбционные методы очистки [см., например, Л.А.Кульский и др. "Технология очистки природных вод", Киев: Высшая школа, 1981, стр.190-223, 358-370].

Однако с помощью фильтрационных или сорбирующих устройств невозможно задержать все вредные вещества и сохранить полезные. Кроме того, концентрирование содержащихся в воде полезных или вредных веществ на поверхности фильтрующих мембран, в порах сорбента или на поверхности ионообменных материалов всегда приводит в первую очередь к задерживанию микроорганизмов, к ускоренному их размножению и усиленному выделению микробных токсинов в воду при одновременном резком снижении фильтрующей, сорбирующей или ионообменной способности активных элементов водоочистительного устройства.

Известны также устройства, реализующие методы очистки воды, основанные на вводе химических реагентов с целью перевода растворенных примесей в нерастворимое состояние [см., например, Л.А.Кульский и др. "Технология очистки природных вод", Киев: Высшая школа, 1981, стр.117-132]. Однако эксплуатация таких устройств сопряжена с большим расходом реагентов и необходимостью строго соблюдать правила техники безопасности. Кроме того, применение таких устройств требует дополнительных затрат труда, времени и материалов для тщательной доочистки воды, так как многие реагенты оказывают вредное влияние на организм человека.

В настоящее время в области водоподготовки широко применяются методы обработки воды, включающие стадии электрохимической обработки в электролизерах как с разделенным, так и с неразделенным межэлектродным пространством, позволяющие упростить процесс обработки, сократить число реагентов.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является установка, используемая для реализации способа очистки питьевой воды, содержащая диафрагменный электрохимический реактор, электроды которого разделены мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры с входами и выходами, а также флотационный реактор для разделения газовой и жидкой фазы обработанного электролита с входом в средней части и выходами в верхней и нижней частях, каталитический реактор с входом в верхней и выходом в нижней частях, линию подачи исходной питьевой воды, линию отвода обработанной питьевой воды и линию вывода в дренаж с установленным на ней регулировочным вентилем, соединенную с верхним выводом флотационного реактора [см. патент России №2149835, С02F 1/461, 1999, фиг.1].

Данная установка выбрана в качестве прототипа.

В установке по прототипу линия подачи исходной воды соединена с входом анодной камеры электрохимического реактора. Выход анодной камеры реактора соединен с входом катодной камеры этого же реактора и на соединительной линии последовательно установлены промежуточная емкость и емкость с катализатором. Выход катодной камеры соединен со входом во флотационный реактор. Вывод обработанной воды осуществляется из нижнего слива флотационного реактора, причем на линии вывода установлен электрокинетический реактор. Верхний слив флотационного реактора выводится в дренаж.

Обрабатываемая вода поступает в анодную камеру, в которой окисляются растворенные примеси, причем процесс окисления продолжается и в промежуточной емкости. В каталитическом реакторе удаляется остаточный хлор, и вода поступает в катодную камеру, после которой поступает во флотационный реактор. При обработке в катодной камере рН обрабатываемой воды понижается, растворенные в воде соли металлов переходят в нерастворимое состояние. Во флотационном реакторе за счет флотации выделившимся в катодной камере водородом осуществляется удаление нерастворимых примесей. Обработка осуществляется при однократном протоке обрабатываемой воды снизу вверх через анодную, а затем снизу вверх через катодную камеру.

Известное решение обеспечивает сравнительно высокую степень очистки.

Недостатком известного решения является сложность установки, ее сравнительно большая материалоемкость, так как установка включает значительное количество вспомогательных элементов. Кроме того, в известной установке невозможно достигнуть более высокой биологической ценности обработанной воды, так как при обработке в катодной камере значительная часть энергии затрачивается на нейтрализацию рН после обработки в анодной камере.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом использования настоящего изобретения является повышение степени очистки воды от микроорганизмов, упрощение установки, повышение биологической ценности получаемой в результате процесса очистки питьевой воды.

Указанный результат достигается тем, что в установке для обработки питьевой воды, содержащей диафрагменный электрохимический реактор, электроды которого разделены мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры с входами и выходами, флотационный реактор для разделения газовой и жидкой фазы обработанного электролита с входом в средней части и выходами в верхней и нижней частях, каталитический реактор с входом в верхней и выходом в нижней частях, линию подачи исходной питьевой воды, линию отвода обработанной питьевой воды и линию вывода в дренаж с установленным на ней регулировочным вентилем, соединенную с верхним выводом флотационного реактора, электрохимический реактор выполнен с входами в анодную и катодную камеры и соответственно выходами из анодной и катодной камер, расположенными на противоположных концах реактора для обеспечения противотока обрабатываемой воды в анодной и катодной камерах, линия подачи исходной питьевой воды соединена с входом анодной камеры, выход анодной камеры соединен с входом флотационного реактора, нижний выход флотационного реактора соединен с входом каталитического реактора, выход каталитического реактора соединен с входом катодной камеры, линия вывода обработанной питьевой воды соединена с выходом катодной камеры, и установка дополнительно содержит датчик протока, установленный на линии подачи исходной питьевой воды перед входом в анодную камеру.

Установка может содержать дополнительный электрохимический реактор, электроды которого разделены мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры с входами и выходами, причем входы в анодную и катодную камеры и соответственно выходы из анодной и катодной камер расположены на противоположных концах дополнительного реактора для обеспечения противотока обрабатываемой воды в анодной и катодной камерах. При наличии дополнительного реактора анодные и катодные камеры основного и дополнительного реакторов соединены гидравлически последовательно.

В установке для обработки питьевой воды электрохимический реактор или каждый из реакторов выполнен из одной электрохимической ячейки, содержащей цилиндрические, коаксиально установленные электроды, пространство между которыми разделено коаксиальной мелкопористой диафрагмой из керамики на основе модифицированного оксида циркония

Соединение узлов установки в гидравлическую схему по изобретению позволяет обеспечить достижение указанного результата.

Использование противотока в электродных камерах позволяет повысить эффективность электромиграционного массопереноса через диафрагму за счет уменьшения разности значений рН в катодной и анодной камерах по всей их длине, а следовательно, уменьшения градиента изменения рН в пористой массе диафрагмы в различных поперечных сечениях электродных камер - в середине, начальном и конечном их участках.

То, что исходная вода проходит вначале обработку в анодной камере одного или двух электрохимических реакторов и сразу поступает во флотационный реактор, позволяет повысить степень очистки от органических примесей. Во флотационном реакторе из воды удаляются газообразные продукты анодного синтеза (озон, кислород, хлор). Также с частью анодно обработанной воды удаляются скоагулировавшие окисленные органические соединения, частички или молекулы которых прилипают к всплывающим пузырькам газа. Кроме того, за счет пребывания во флотационном реакторе увеличивается время контакта окислителей с исходной водой, что также ведет к повышению степени очистки. Таким образом, при упрощении установки за счет исключения дополнительной емкости достигается более высокая степень очистки.

Затем очищенная вода из флотационного реактора поступает в каталитический реактор, где из нее удаляются хлоркислородные неорганические соединения (хлорноватистая кислота, гипохлорит-ионы), образовавшиеся при анодной обработке из хлоридов, содержащихся в воде. Также из этой воды удаляется остаточное количество органических соединений, которые в результате предшествующей анодной обработки обретают способность к более полной адсорбции на материале каталитического реактора. В качестве катализатора может быть использован любой материал, обеспечивающий удаление из обработанной воды соединений активного хлора, в частности углеродсодержащий материал. При этом реактор работает в условиях, препятствующих накоплению микроорганизмов, а также подавляется их способность к размножению на адсорбированных из воды веществах, поскольку в воде после анодной обработки присутствуют мощные гидропероксидные оксиданты. Затем вода, освобожденная от остатков органических веществ и хлоркислородных соединений поступает в катодную камеру (одну или две), где насыщается антиоксидантами и приобретает биологически активные свойства. Поскольку объем протекающей через катодные камеры воды меньше, чем объем воды, протекающий за то же время через анодные камеры устройства, на величину объема воды, удаленной в дренаж из флотационного реактора, удельное количество электричества на катодную обработку выше и этим достигается повышенная биологическая ценность воды.

Обработку целесообразно осуществлять с использованием электрохимических реакторов с цилиндрическими коаксиальными электродами и коаксиальной диафрагмой из керамики на основе оксида циркония, что позволяет обеспечить оптимальный гидравлический режим и эффективно регулировать электромиграционный перенос ионов через диафрагму электрохимического реактора. Материал диафрагмы позволяет сохранять стабильность физико-химических и фильтрационных ее характеристик.

Краткое описание чертежей

Схемы установок представлены на фиг.1 и 2.

Установка для обработки питьевой воды (фиг.1) содержит основной диафрагменный проточный электрохимический реактор 1, представляющий собой единичный диафрагменный проточный электрохимический модульный элемент. Анодная 2 и катодная 3 камеры реактора 1 имеют входы соответственно в нижней и верхней частях реактора и выходы соответственно в верхней и нижней частях реактора.

Установка содержит флотационный реактор 4, каталитический реактор 5, линию подачи обрабатываемой воды 6, датчик протока 7, линию вывода в дренаж 8 с регулировочным вентилем 9 и линию вывода обрабатываемой воды 10.

Выход анодной камеры 2 реактора 1 соединен с входом флотационного реактора 4. Из верхней части флотационного реактора 4 через регулирующий вентиль 9 по линии 8 выводится шлам, а из нижней части - очищенная вода, которая поступает в емкость каталитического реактора 5, заполненную катализатором, обладающим высокой активностью по разрушению соединений активного хлора, например углеродсодержащим материалом.

Выход каталитического реактора 5 соединен с входом катодной камеры 3 реактора 1. Выход катодной камеры реактора 1 соединен с линией 10 вывода обрабатываемой воды.

Установка может содержать дополнительный реактор 11 с анодной 12 и катодной 13 камерами, входы и выходы которых расположены в реакторе 11 так же, как в реакторе 1 (фиг.2).

В этом случае выход анодной 2 камеры реактора 1 соединен с входом анодной камеры 12 реактора 11, а выход анодной камеры 12 соединен с входом флотационного реактора 4. Из верхней части флотационного реактора 4 через регулирующий вентиль 9 по линии 8 выводится шлам, а из нижней части - очищенная вода, которая поступает в емкость каталитического реактора 5, заполненную катализатором, обладающим высокой активностью по разрушению соединений активного хлора, например углеродсодержащим материалом.

Выход каталитического реактора 5 соединен с входом катодной камеры 3 реактора 1. Выход катодной камеры реактора 1 соединен с входом катодной камеры 13 реактора 11, а выход катодной камеры 13 соединен с линией 10 вывода обрабатываемой воды.

Установки работают следующим образом.

Вода, подлежащая обработке, по линии 6 проходит анодную камеру 2 реактора 1 (или последовательно проходит анодные камеры 2 и 12 реакторов 1 и 11) установки, где проходит предварительную обработку, и поступает во флотационный реактор 4.

В анодной 2 (или в анодных камерах 2 и 12) окисляются и коагулируют органические примеси, а во флотационном реакторе 4 из воды удаляются газообразные продукты анодного синтеза (озон, кислород, хлор) и скоагулированные окисленные органические соединения, частички или молекулы которых прилипают к всплывающим пузырькам газа.

Затем очищаемая вода из флотационного реактора 4 поступает в каталитический реактор 5, где из нее удаляются хлоркислородные неорганические соединения (хлорноватистая кислота, гипохлорит-ионы), образовавшиеся при анодной обработке из хлоридов, содержащихся в воде. Также из этой воды удаляется остаточное количество органических соединений, которые в результате предшествующей анодной обработки и пребывания во флотационном реакторе 4 обретают способность к более полной адсорбции на материале каталитического реактора 5.

Затем вода, освобожденная от остатков органических веществ и хлоркислородных соединений, поступает в катодную камеру 3 реактора 1 (или последовательно проходит в катодные камеры 3 и 13 реакторов 1 и 11). За счет обработки в катодных камерах регулируется рН воды, и она приобретает биологически активные свойства.

По линии 10 обработанная вода подается потребителю.

Варианты конкретного осуществления

Изобретение иллюстрируется следующими примерами, которые, однако, не исчерпывают всех возможных вариантов осуществления способа.

Во всех примерах использовались электрохимические реакторы, состоящие из электрохимической ячейки по патенту РФ №2078737 с коаксиально установленными цилиндрическим и стрежневым электродами и коаксиально же установленной между ними керамической ультрафильтрационной диафрагмой из керамики на основе смеси оксидов циркония, алюминия и иттрия (соответственно 60, 37 и 3 мас.%) и толщиной 0,7 мм. Длина ячейки составляла 200 мм, а объемы электродных камер составляют 10 мл катодной камеры и 7 мл анодной. В качестве анодов в ячейках использовались титановые электроды с оксидным покрытием. Целесообразно использовать такие покрытия анодов, которые в меньшей степени генерируют активный хлор и в большей - гидропероксидные оксиданты (перекись водорода, озон, синглетный кислород), например покрытия, содержащие оксиды иридия. В этом случае вода будет иметь более свежий вкус, и, кроме того, сокращаются затраты на удаление хлоркислородных оксидантов.

Пример 1. Исходная вода, содержащая 100000±10000 микробных клеток в 1 мл, органические вредные вещества (фенолы, гербициды, ПАВ) в количестве 1,6±0,2 мг/л, соединения тяжелых металлов (CuCl₂, AgNO₃) в количестве 0,5 мг/л, подвергалась очистке в соответствии со схемой установки, изображенной на фиг.1. Степень очистки от микробов составила 99,997%, от органических веществ - 97%, от ионов тяжелых металлов 98%. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) исходной воды, измеренный платиновым электродом относительно хлорсеребряного электрода сравнения был равен +290 мВ, величина рН составляла 6,9 ед. рН. Очищенная в установке вода имела следующие параметры: ОВП=-250 мВ, рН 7,1. При обработке такой же воды в устройстве, осуществляющем способ по прототипу, степень очистки от загрязнений составила соответственно 99, 98%, 94% и 95%. Параметры очищенной в установке-прототипе воды были следующими: ОВП=-95 мВ, рН 6,9.

Пример 2. Исходная вода того же состава, что и в примере 1, подвергалась предварительной очистке в соответствии со схемой установки, изображенной на фиг.2.

Степень очистки от микробов составила 99,9996%, от органических веществ - 98%, от ионов тяжелых металлов 99%. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) исходной воды, измеренный платиновым электродом относительно хлорсеребряного электрода сравнения, был равен +310 мВ, величина рН составляла 6,8 ед. рН. Очищенная в установке вода имела следующие параметры: ОВП=-350 мВ, рН 7,1. При обработке такой же воды в устройстве, осуществляющем способ по прототипу, степень очистки от загрязнений составила соответственно 99, 995%, 95% и 97%. Параметры очищенной в установке - прототипе воды были следующими: ОВП=-145 мВ, рН 6,8.

Как следует из представленных данных, реализация способа по изобретению по сравнению с прототипом позволяет более эффективно проводить очистку воды от микроорганизмов, упростить установку и повысить биологическую ценность получаемой в результате процесса очистки питьевой воды, т.е. достигнуть более низкого значения окислительно-восстановительного потенциала. При этом использование схемы с двумя электрохимическими ячейками (реакторами) вместо одной позволяет обеспечить более глубокую очистку воды от микробов, от ионов тяжелых металлов и добиться большего снижения окислительно-восстановительного потенциала, что повышает биологическую ценность воды, связанную с ее антиоксидантными свойствами.

Промышленная применимость

По сравнению с известным техническим решением изобретение позволяет эффективно повысить степень очистки воды от взвешенных примесей и органических соединений. Кроме того, использование изобретения позволяет упростить установку, исключить дополнительные функциональные узлы и повысить потребительские качества получаемой воды.

Изобретение относится к устройствам для очистки, обеззараживания и кондиционирования питьевой воды. Установка содержит диафрагменный электрохимический реактор, электроды которого разделены мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры, флотационный реактор для разделения газовой и жидкой фазы обработанного электролита с входом в средней части и выходами в верхней и нижней частях, каталитический реактор с входом в верхней и выходом в нижней частях, линии подачи исходной питьевой воды, отвода обработанной питьевой воды и вывода в дренаж. Электрохимический реактор выполнен с входами в анодную и катодную камеры и, соответственно, выходами из анодной и катодной камер, расположенными на противоположных концах реактора для обеспечения противотока обрабатываемой воды в анодной и катодной камерах. Линия подачи исходной питьевой воды соединена с входом анодной камеры, выход анодной камеры соединен с входом флотационного реактора, нижний выход флотационного реактора соединен с входом каталитического реактора, выход каталитического реактора соединен с входом катодной камеры, линия вывода обработанной питьевой воды соединена с выходом катодной камеры и установка дополнительно содержит датчик протока, установленный на линии подачи исходной питьевой воды перед входом в анодную камеру. Технический эффект - повышение степени очистки воды от микроорганизмов, упрощение установки, повышение биологической ценности получаемой воды. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для обработки питьевой воды, содержащая диафрагменный электрохимический реактор, электроды которого разделены мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры с входами и выходами, флотационный реактор для разделения газовой и жидкой фазы обработанного электролита с входом в средней части и выходами в верхней и нижней частях, каталитический реактор с входом в верхней и выходом в нижней частях, линию подачи исходной питьевой воды, линию отвода обработанной питьевой воды и линию вывода в дренаж с установленным на ней регулировочным вентилем, соединенную с верхним выводом флотационного реактора, отличающаяся тем, что электрохимический реактор выполнен с входами в анодную и катодную камеры и, соответственно, выходами из анодной и катодной камер, расположенными на противоположных концах реактора для обеспечения противотока обрабатываемой воды в анодной и катодной камерах, линия подачи исходной питьевой воды соединена с входом анодной камеры, выход анодной камеры соединен с входом флотационного реактора, нижний выход флотационного реактора соединен с входом каталитического реактора, выход каталитического реактора соединен с входом катодной камеры, линия вывода обработанной питьевой воды соединена с выходом катодной камеры и установка дополнительно содержит датчик протока, установленный на линии подачи исходной питьевой воды перед входом в анодную камеру.2. Установка для обработки питьевой воды по п.1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительный электрохимический реактор, электроды которого разделены мелкопористой диафрагмой на анодную и катодную камеры с входами и выходами, причем входы в анодную и катодную камеры и, соответственно, выходы из анодной и катодной камер расположены на противоположных концах дополнительного реактора для обеспечения противотока обрабатываемой воды в анодной и катодной камерах, и анодные и катодные камеры и основного и дополнительного реакторов соединены гидравлически последовательно.3. Установка для обработки питьевой воды по п.1 или 2, отличающаяся тем, что электрохимический реактор или каждый из реакторов выполнены из одной электрохимической ячейки, содержащей цилиндрические, коаксиально установленные электроды, пространство между которыми разделено коаксиальной мелкопористой диафрагмой из керамики на основе модифицированного оксида циркония.