СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2016 года по МПК C02F1/467 C02F1/50 A61L2/03 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу очистки воды и устройству для его осуществления.

Уровень техники

Из всей воды, имеющейся на Земле, приблизительно 97% находится в океане в соленом состоянии. Остальные 3% представляют собой количество воды на Земле. К сожалению, 90% этой питьевой воды заключено в ледниках и ледниковых шапках, и в основном человек не может извлечь ее для использования. В итоге только 0,014% общего объем воды на Земле легко доступны для сельскохозяйственных, промышленных и бытовых целей. Эта вода существует в разных формах, включая почвенную влагу, грунтовые воды, водяные пары, озера, водохранилища и реки. В основном эта вода находится в состоянии, не пригодном для вышеприведенных целей.

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении более эффективного способа улучшения качества воды для сельскохозяйственных, промышленных и бытовых целей.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается способ очистки воды, при выполнении которого:

вводят кислород в воду путем ее электролиза, который протекает при пропускании электрического тока через первый узел спаренных (парных) электродов, выполненных из углерода или инертного металла; и

подвергают воду действию:

ионов серебра, получаемых на втором узле спаренного серебряного электрода(ов), на который подается электрический ток; и

ионов меди, получаемых на третьем узле спаренного медного электрода(ов), на который подается электрический ток,

причем также вдувают в воду кислород до ее электролиза.

Предлагаемый способ в общем позволяет достичь таких технических результатов, как в целом повышение эффективности очистки/обеззараживания воды, так и безопасности.

В частности, было неожиданно установлено, что добавление кислорода посредством механического вдувания обеспечивает повышенное обеззараживающее воздействие по сравнению с существующими технологиями. Например, предлагаемый способ дает неожиданно сильный эффект обеззараживания от совместного использования приведенной совокупности признаков в отношении ряда бактерий. Причем настоящее изобретение обеспечивает высокую начальную скоростью подавления активности по сравнению с традиционными технологиями и при этом действие обеззараживающего средства может эффективно поддерживаться в течение продолжительного времени от исходного введения.

Как следствие, может предотвращаться перегрузка систем фильтрации и обеспечиваться снижение их эксплуатационных расходов.

Повышение скорости обеззараживания, кроме того, снижает количество тяжелых металлов, вводимых системой очистки.

Спаренные электроды первого узла могут быть выполненны, например, из графита или такого инертного металла, как, например, платина, нержавеющая сталь или титан, предпочтительно нержавеющая сталь.

Используемые в способе серебро и медь далее упоминаются также как переходные металлы.

Воду обрабатывают ионизированными серебром и медью, наиболее предпочтительно ионизированными серебром, медью и цинком, получаемыми на серебряном, медном и цинковом электродах, на которые подается электрический ток.

Электрический ток, подаваемый на участвующие в электролизе электроды и на электроды из переходного металла, может иметь величину от 300 мА до 3 А и регулироваться отдельно для каждой электродной пары.

Предпочтительно вода поддерживается под давлением от 0,6 бар до 10 бар (от 6×10⁴ Па до 1×10⁶ Па), предпочтительно от 2 до 6 бар (от 2×10⁵ Па до 6×10⁵ Па).

В настоящем изобретении также предлагается устройство для обработки воды, содержащее:

первый узел спаренных электродов, выполненных из углерода или инертного металла, через которые может быть пропущен электрический ток, для ввода в воду кислорода путем ее электролиза;

второй узел спаренного серебряного электрода(ов) для введения в воду ионов серебра путем электролиза;

третий узел спаренного медного электрода(ов) для введения в воду ионов меди путем электролиза; и

инжектор для вдувания кислорода в воду до ее электролиза.

Средство введения кислорода в воду путем ее электролиза может содержать спаренные электроды, выполненные, например из графита или такого инертного металла, как платина, нержавеющая сталь или титан, предпочтительно нержавеющая сталь, через которые может пропускаться электрический ток.

Средство введения ионизированного переходного металла в воду может содержать электрод, выполненный из переходного металла, через который может быть пропущен ток. Устройство содержит серебряный и медный электроды, наиболее предпочтительно серебряный, медный и цинковый электроды.

Электроды из переходного металла могут быть соединены, образуя тем самым электродные пары. Электродные пары могут быть подсоединены к источнику питания постоянного тока, выполненному с возможностью подачи электрического тока 0-7 А отдельно на каждую электродную пару без ограничения по напряжению. Предпочтительно источник питания соединен с общим источником питания, который может быть источником питания переменного тока напряжением от 220 до 240 В или солнечной батареей, полярность которых переключается через временной промежуток 3-10 мин. Электроды в электродной паре могут быть разнесены на расстояние 18 мм или менее, предпочтительно на расстояние 8-10 мм.

Предпочтительно средство для введения кислорода в воду путем ее электролиза и средство для введения в воду ионизированного переходного металла помещены в емкость, имеющую входной канал для воды и выходной канал для воды и представляющую собой, например, полую трубу, которая может иметь длину 0,5-3 м и диаметр 50-350 мм, предпочтительно длину 1-1,5 м и диаметр 100-150 мм.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг. 1 - схема предлагаемого в изобретении устройства;

на фиг. 2 - схематическое сечение для предпочтительного варианта выполнения предлагаемого в изобретении устройства;

на фиг. 3 - схематическое представление компоновки для предпочтительного варианта выполнения устройства, предлагаемого в настоящем изобретении.

Осуществление изобретения

Изобретение обеспечивает возможность обеззараживания воды за счет использования олигодинамического воздействия ионов переходного металла на микроорганизмы в сочетании с окислительным воздействием одноатомного кислорода на бактериальные энзимы и другие органические материалы.

Ионизация переходного цветного металла служит альгицидом и биоцидом, успешно воздействующим на бактерии, вирусы и грибки. Ионизация переходного цветного металла не только улучшает качество воды, обеззараживая ее на длительное время, она также улучшает ее минеральное содержание, придавая ей свойства, полезные для человека, промышленных установок и животных.

Олигодинамический эффект ионов металла был открыт в 1893 году швейцарцем Карлом Вильгельмом фон Негилем как токсическое воздействие ионов металла даже в низких концентрациях на живые клетки, водоросли, плесень, грибки, вирусы, прокариотные и эукариотные микроорганизмы. Такой антимикробный эффект присущ ионам: ртути, серебра, меди, железа, свинца, цинка, висмута, золота, алюминия и других металлов.

Этот эффект проявляют ионы металлов, особенно тяжелых металлов. Точный механизм воздействия до сих пор не известен. Данные для серебра позволяют предположить, что эти ионы изменяют естественные свойства энзимов клеток-мишеней или организмов, связываясь с реакционно-способными группами и вызывая их осаждение и подавление активности. Серебро подавляет энзимы за счет реакции с тиоловыми группами с образованием сульфидов серебра. Серебро также реагирует с аминовыми, карбоксиловыми, фосфатными и имидазольными группами и ослабляет активность локтатной дегидрогенизиации и глютатионных пероксидов.

Одноатомный кислород окисляет бактериальные энзимы и другие органические материалы. Реакция одноатомного кислорода с бактериальными энзимами и другим органическим материалом мгновенная.

Металлическое серебро является одним из металлов, способных вырабатывать одноатомный кислород. Среди всех металлов серебро является уникальным по своему поведению по отношению к кислороду. Известно, что молекулярный кислород адсобируется на поверхности серебра в своем атомарном состоянии. Кроме того, атомарный кислород легче диффундирует в серебро, чем в другой металл. Davies L. R и др. (исследователи роли серебра в очистке воды и борьбе с болезнями) утверждают, что атомарный кислород очень хорошо внедряется в октаэдрические вакансии в золоте, серебре и меди. В золоте электронное облако кислорода имеет тенденцию к тому, чтобы быть отраженным электронами решетки атомов золота, останавливающими перемещение по вакансиям. Для меди кислород формируется с образованием барьера. Серебро подходит почти идеально, так как оказывает настолько малое противодействие, что требуется минимальная величина тепловой энергии для проникновения кислорода в решетку серебра с образованием одноатомного кислорода.

Согласно фигурам 1 и 2 вода обрабатывается в блоке (10) ионизации переходного цветного металла, содержащем емкость (12) в виде полой трубы длиной 1,2 м и диаметром 110 мм и узел (14), включающий серебряный электрод (16), медный электрод (18) и цинковый электрод (20), расположенные внутри емкости (12). Каждый электрод из переходного металла соединен с другим электродом, образуя отдельные электродные пары. В электродной паре электроды предпочтительно расположены на расстоянии 13 мм или менее друг от друга, предпочтительно на расстоянии 9 мм. При необходимости могут быть введены дополнительные многослойные электроды в зависимости от поставленной задачи. Устройство содержит также электрод(ы) (22) из нержавеющей стали, предназначенный для электролиза воды. Каждая электродная пара может быть соединена с источником питания постоянного тока, подсоединенным к общему источнику питания переменного тока напряжением 220 В или солнечной панели и переключающим полярность через временные интервалы, составляющие 3-10 минут. Электрический ток на каждую электродную пару регулируется отдельно.

Обрабатываемая вода (24) подводится к блоку от некоторого источника и по входному каналу (26) поступает в емкость (12). Электроды из переходного металла ионизируются при подаче на электродные пары тока, поступающего непосредственно от внешнего источника питания. Как правило, в обрабатываемой воде присутствуют молекулы кислорода, хотя их концентрация может сильно зависеть от таких факторов, как источник воды и содержание в ней минералов. Дистиллированная вода может поглощать больше кислорода, чем вода из скважины с большим содержанием минералов. По этой же причине морская вода содержит меньше растворенного кислорода, чем пресная вода. Кислород попадает в воду при ее электролизе с использованием электрода(ов) (22) из нержавеющей стали. Для этой цели могут использоваться также электроды из графита, титана или платины. При электролизе в результате прохождения электрического тока через воду происходит разложение воды (H₂O) на кислород (O₂) и водород (H₂). Источник питания постоянного тока соединен с группой электродов, обычно выполненных из графита или инертного металла, такого как платина, нержавеющая сталь или титан, и помещенных в воду. В оптимально сконструированном блоке водород появится у катода (отрицательно заряженного электрода, с которого испускаются электроны), и кислород появится у анода (положительно заряженного электрода). В предположении идеальной эффективности по Фарадею образованное количество (в молях) водорода вдвое больше количества кислорода, и оба они пропорциональны общему электрическому заряду, пропущенному через раствор. Не вдаваясь в теорию, можно принять, что полученный при электролизе кислород образуется в своей наиболее активной, одноатомной, форме. Из-за нестабильности одноатомной формы отдельные атомы кислорода быстро объединяются в пары, образуя стабильные молекулы O₂. Полученный электролизом одноатомный кислород в течение своей короткой жизни представляет собой более действенный окислитель для бактерий, чем растворенный O₂, и поэтому допустимы более низкие его концентрации.

После электролиза вода вступает в контакт с серебряным электродом (16), на котором ионизированное серебро обеззараживает воду за счет олигодинамического эффекта. Серебряный электрод служит также для получения одноатомного кислорода из молекулярного кислорода, уже присутствующего в воде, или молекулярного кислорода, попадающего в воду при его вдувании или в процессе электролиза или при сочетании способов. Доступный молекулярный кислород легко поглощается на поверхности серебра и диффундирует через его решетку как одноатомный кислород. Одноатомный кислород мгновенно окисляет бактериальные энзимы и другой органический материал, содержащийся в воде. При необходимости кислород может вдуваться в воду (24) через инжектор, установленный последовательно с блоком (1) ионизации переходного цветного металла до поступления воды в этот блок. Вода приходит также в контакт с медным и цинковым электродами, где также подвергается олигодинамическому воздействию ионизованных меди и цинка. Обработанная вода (28) выходит из блока (10) ионизации переходного цветного металла через выходной канал (30). Как правило, вода поддерживается под давлением, достаточным для удержания поданного кислорода в растворенном виде. Блок ионизации переходного цветного металла действует под давлением, составляющим от 0,6 бар до 10 бар (от 6×10⁴ Па до 1×10⁶ Па) и при расходе от 15000 до 25000, обычно приблизительно от 17000 до 20000 литров воды в час.

Согласно фиг. 3 предлагаемое в настоящем изобретении устройство (40) может состоять из более чем одного блоков (10) ионизации переходного цветного металла, соединенных параллельно. Блоки ионизации переходного цветного металла могут быть соединены последовательно. Обрабатываемая вода (44) подается от источника (42) к каждому из блоков (10) ионизации переходного цветного металла, в которых она подвергается вышеописанному воздействию. Перед поступлением воды в блок (10) ионизации переходного цветного металла в нее вдувается кислород посредством инжектора (46), соединенного в линию с этим блоком. Обработанная вода (48) собирается и подается в точку (50) доступа потребителя, такую как распределительный вентиль, плавательный бассейн и т.д.

Устройство содержит также основной источник питания (13) переменного тока 220 В, и каждый блок ионизации переходного цветного металла включает источник питания (13) постоянного тока, соединенный к каждой электродной парой, предпочтительно меняющий полярность и выполненный с возможностью изменения тока в электродной паре в диапазоне 0-7 А за промежуток времени от 3 до 10 мин без ограничения по напряжению. Устройство может также содержать индикаторы и сигнализаторы, введенные в блок для обозначения основных подводящих магистралей к блоку, подводимого к блоку ионизации переходного цветного металла постоянного тока, а также величины тока (А) для каждой электродной пары.

Изобретение может использоваться в различных применениях, таких как бассейны, физиотерапевтическое водное оборудование, фонтаны, подогревная вентиляция, оборудование для кондиционирования воздуха, башенные охладители, винная индустрия, обработка поступающей и использованной воды, госпитали, системы, используемые для приготовления пищи и питьевой воды, и в различных бытовых, сельскохозяйственных и промышленных устройствах.

Изобретение может использоваться в качестве замены способов дезинфекции, основанных на хлорировании воды, которая обеспечивает гарантированную первичную и вторичную дезинфекцию. Представляется, что изобретение может использоваться в сочетании с другими не оказывающими отрицательного воздействия на окружающую среду способами обеззараживания воды для достижения высоких результатов в обеспечении безопасной питьевой водой высокого качества.

Путем предотвращения и противодействия росту бактериального загрязнения и вирусному заражению воды изобретение предоставляет нетоксичный и экологически благоприятный способ обеспечения здоровья как в общественном, так и в частном масштабе.

ПРИМЕР

Вода из водохранилища в Grabouw (Южная Африка) была обрботана в предлагаемом в изобретении блоке ионизации переходного цветного металла с использованием комбинации ионизации меди, серебра, цинка с электролизом кислорода.

В таблице 1 приведены полученные независимой лабораторией результаты анализов образца воды, обработанной устройством 10, описанным выше, при длине емкости 12, составляющей 1,2 м, и внутреннем диаметре 110 мм.

Устройство 10 работало в следующем режиме:

давление: 4 бар;

расход воды: 19500 литров в час;

электропитание на электроды: для каждой электродной пары один источник питания постоянного тока 12 В, обеспечивающий ток от 300 мА до 3 А с переключением полярности.

Анализы показали значительное снижение содержания бактериальных, грибковых и вирусных патогенных организмов через 2 секунды с начала обработки.

Изобретение относится к водоочистке и может быть использовано в сельском хозяйстве, промышленности и в быту. В воду (24) вдувают кислород посредством инжектора до ее электролиза. Затем в воду вводят кислород путем ее электролиза при пропускании электрического тока через первый узел спаренных электродов (22), выполненных из углерода или инертного металла. Подвергают воду воздействию ионов серебра, получаемых на втором узле спаренного серебряного электрода(ов) (16), и ионов меди, получаемых на третьем узле спаренного медного электрода(ов) (18), на которые подается электрический ток. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки и обеззараживания воды, а также осуществить безопасную обработку воды. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ очистки воды, в котором:
вводят в воду кислород путем ее электролиза, который протекает при пропускании электрического тока через первый узел спаренных электродов, выполненных из углерода или инертного металла; и
подвергают воду воздействию:
ионов серебра, получаемых на втором узле спаренного серебряного электрода(ов), на который подается электрический ток; и
ионов меди, получаемых на третьем узле спаренного медного электрода(ов), на который подается электрический ток,
причем также вдувают в воду кислород до ее электролиза.

2. Способ по п. 1, в котором инертный металл представляет собой платину, нержавеющую сталь или титан.

3. Способ по п. 2, в котором инертный металл представляет собой нержавеющую сталь.

4. Способ по п. 3, в котором воду обрабатывают ионизированным серебром, ионизированной медью и ионизированным цинком, получаемыми на серебряном, медном и цинковом электродах, на которые подается электрический ток.

5. Устройство для обработки воды, содержащее:
первый узел спаренных электродов, выполненных из углерода или инертного металла, через которые может быть пропущен электрический ток для введения в воду кислорода путем ее электролиза;
второй узел спаренного серебряного электрода(ов) для введения в воду ионов серебра путем электролиза;
третий узел спаренного медного электрода(ов) для введения в воду ионов меди путем электролиза; и
инжектор для вдувания кислорода в воду до ее электролиза.

6. Устройство по п. 5, в котором инертный металл представляет собой платину, нержавеющую сталь или титан.

7. Устройство по п. 6, в котором инертный металл представляет собой нержавеющую сталь.

8. Устройство по п. 5, содержащее цинковый электрод(ы) для введения ионов цинка в воду путем электролиза.

9. Устройство по п. 5, в котором серебряные, медные и цинковые электроды соединены в электродные пары.

10. Устройство по п. 9, в котором электродные пары разнесены на расстояние, составляющее 18 мм или менее.

11. Устройство по п. 10, в котором электродные пары разнесены на расстояние, составляющее 8-10 мм.

12. Устройство по п. 5, в котором электроды помещены в емкость, имеющую входной канал для воды и выходной канал для воды.

13. Устройство по п. 12, в котором емкость представляет собой полую трубу.

14. Устройство по п. 13, в котором полая труба имеет длину 0,5-3 м и диаметр 50-350 мм.

15. Устройство по п. 14, в котором полая труба имеет длину 1-1,5 м и диаметр 100-150 мм.

16. Устройство по п. 5, содержащее источник питания постоянного тока, подающий электрический ток на каждую электродную пару отдельно.