СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНДИЦИОНИРОВАННОЙ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 2017 года по МПК C02F1/68 C02F103/04 

Изобретение относится к области подготовки питьевой воды на основе опресненной и может быть использовано на различных морских плавательных средствах - морских кораблях, судах и платформах, подводных лодках и т.д.

Известны способы кондиционирования опресненных вод (например, дистиллята) путем растворения в них заданного количества различных твердых солей, например, сульфаты калия и магния (патент РФ №2051125, кл. C02F 1/68), хлориды кальция и натрия, сульфаты магния и натрия (патент РФ №2058569, кл. C02F 1/58). В целях повышения физиологической ценности кондиционированной таким способом воды, в нее дополнительно могут вводить ионы иода, фтора, селена, лития, марганца, цинка, серебра, меди либо в твердом виде, либо в виде водных концентратов с указанием интервалов концентраций, как в патенте РФ №2134241, кл. C02F 1/68. Заявляемая новизна данных изобретений заключается именно в составе приготовленной воды. В любом случае, приготовление такой воды подразумевает введение кристаллов либо жидкого концентрата минерализата в емкость с пресной водой, дальнейшее перемешивание и отстаивание. В других патентах кондиционирование достигают путем пропускания потока опресненной воды через слои минерализующего материала различной природы, в которых происходит обогащение потока минеральными компонентами (патент РФ №2059350, кл. C02F 1/68, С02F 1/04, патент СССР №1431256, кл. C02F 1/48, C02F 1/68, патент РФ №2266257, кл. C02F 1/68, С02F 1/42, B01J 39/04).

Оба этих типа минерализации имеют свои недостатки - первый связан с длительностью процесса растворения и последующего выдерживания полученного раствора (не менее суток, согласно патенту №2051125). Способ минерализации путем пропускания потока через различные минерализующие слои - ракушечник, доломит, органические носители минеральных веществ и т.д. никак не может обеспечить постоянство солевого состава получаемой воды вследствие неизбежного изменения величины поверхности и состава минерализующего слоя в процессе его вымывания водным потоком.

Известен способ (патент РФ №2217387, кл. C02F 1/68, B64G 1/60), заключающийся в последовательном введении в водный поток различных концентратов минеральных солей при «отношении скорости введения растворов солей к скорости потока воды 1/10-1/30».

Необходимо отметить, что под выражением «скорость потока» у заявителя прототипа здесь понимается расход или объемная скорость потока, выражаемая в единицах л/мин.

Данный способ наиболее близок к заявляемому, поскольку использует жидкие минерализующие концентраты, вводимые в водный поток, и позволяет получать воду практически любого заданного состава. В связи с этим данный способ выбран за прототип.

Следует отметить, что способ разрабатывался для автономных аэрокосмических станций, где потребность в питьевой воде невелика, т.к. ограничена малым экипажем этих станций (в патенте №2217387 указан объем обрабатываемой воды - 50 л/ч).

В заявляемом же способе получения питьевой воды на плавательных средствах, где мощность установок для получения питьевой воды составляет 600-2000 л/ч (http://wanderwafe.ru, с. 2 и http://www.sudmash с. 1), а заявляемое в патенте №2217387 отношение потоков (1/10-1/30) потребует вводить в исходный поток растворы солей (в каждой точке ввода) объемом до 200 л/ч. Постоянно готовить такие объемы концентрата в условиях, например, подводной лодки весьма затруднительно. В то же время, для продолжительного хранения в условиях автономного плавания заранее приготовленных растворов потребуется несколько емкостей объемом около 10 м³ каждая (для каждой точки ввода). Таким образом, технологическое решение предлагаемого в патенте №2217387 способа применительно к морским плавательным средствам - также весьма затруднительно.

Необходимо отметить, что выбранное в прототипе соотношение расходов водного потока и подаваемых в него минерализующих солей при их последовательном введении в поток, диктуется желанием избежать осадкообразования такими труднорастворимыми соединениями, как, например, фторид кальция, которые могли бы образовываться в зонах контакта между вводимыми последовательно концентратами минеральных солей.

Целью настоящего изобретения является достижение непрерывной минерализации потоков опресненной воды, например, на морских плавательных средствах необходимыми для кондиционирования ионами, например натрия, калия, кальция, магния, бикарбонатов, фторидов, сульфатов, йодатов и т.д., с использованием известного приема ввода в обрабатываемую воду элементов, образующих друг с другом малорастворимые соединения, в двух разных минерализующих смесях.

Согласно изобретению, поставленная цель достигается тем, что в способе получения кондиционированной питьевой воды путем дозированного введения в поток опресненной воды концентратов минерализата - водных концентратов минерализующих солей исходный поток разделяют на два примерно равных вторичных потока, содержание компонентов солей в минерализате составляет: кальция 75-85 г/л, магния 17-22 г/л, фтора 1,12-1,44 г/л, йода 40-100 мг/л при наличии в нем также калия, натрия, бикарбонатов и сульфатов, причем те минерализующие соли, которые образуют при взаимодействии между собой труднорастворимые соединения, вводят в разные вторичные потоки, соблюдая при этом соотношение скоростей потоков минерализата и опресненной воды - 1/2000, затем оба потока вводят в удаленные друг от друга точки накопительной емкости.

Затем оба потока вводят в удаленные друг от друга точки накопительной емкости.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем: при введении в разные водные потоки (с последующим их объединением в накопительной емкости) двух минерализующих концентратов, компоненты одного из которых, например, ионы щелочноземельных металлов - кальция и магния - образуют труднорастворимые соединения с компонентами другого, например, ионами фтора и йодата достигается необходимая степень равномерности их распределения в объеме опресненной воды в накопителе, что препятствует осадкообразованию.

Это, в свою очередь, разрешает использовать гораздо более концентрированные минерализующие растворы, чем в патенте №2217387, что уменьшит их объем и, как следствие, позволит повысить мощность кондиционирующей установки до величины, позволяющей использовать ее на морских плавательных средствах. В данном случае верхний предел заявленного содержания в первой минерализующей смеси магния (20 г/л) определяется его растворимостью в растворе, где содержание второго кондиционирующего компонента - хлорида кальция - составляет 100 г/л. При этом содержание других минерализующих элементов в этой и во второй применяемой смеси определяется желанием (при использовании выбранного соотношения расхода потоков вводимых минерализатов к расходу исходного потока 1/2000) получить конечный продукт, отвечающий нормам СанПиН 2.1.4.1116-02 (с. 15, табл. 5) для кондиционированных вод высшего качества. Нижний предел указанного содержания кальция, магния, фтора и йода в концентратах также гарантирует, что содержание указанных элементов в готовом продукте будет не ниже норм СанПин 2.1.4.1116-02. При этом при расходе опресненной воды, отвечающем реально существующей на некоторых подводных лодках - 600 л/ч (см. с. 2 настоящего описания), при выбранном соотношении расходов 1/2000 расход минерализатов составит 0,3 л/ч, что по сравнению с патентом №2217387 вполне технологически осуществимо.

Конкретнее сущность изобретения можно пояснить на следующем примере, показанном на фиг. 1, на котором приведена схема введения минерализующих концентратов, где 1 - опреснитель; 2 - делитель потока опресненной воды (тройник); 3, 4 - расходомеры водного потока; 5 - накопительная емкость; 6 - выход к потребителю; 7, 8 - емкости с концентратами минерализатов; 9, 10 - микродозаторы; 11 - поплавковый датчик уровня; - линии электроуправления.

Поток воды от опреснителя 1 в точке 2 разделяют на два вторичных потока, которые, проходя через измерители расхода 3 и 4, снабженные электронными выходами сигнала, поступают в накопитель 5 с выводом готовой воды потребителю 6. По пути следования вторичных потоков в них вводятся минерализующие водные концентраты из емкостей 7 и 8. Ввод осуществляется микродозаторами 9 и 10 (в нашем примере - модели Tekna фирмы Seko либо перистальтичекими насосами РР-х-20, поставка фирмы Вилитек).

Измерители расхода обычно входят в комплект микродозаторов.

Микродозатор 9 вводит ионы: кальция магния.

Микродозатор 10 вводит ионы: калия, йода и фтора.

Уровень готовой воды в накопителе 5 регулируется поплавковым датчиком 11, который включает и отключает подачу воды из опреснителя 1. Принимая содержание вводимых элементов в концентратах: кальция 50-100 г/л, магния 10-20 г/л, фтора 1,2-2,4 г/л, йода 80-120 мг/л, и соотношение расходов - 1/2000, конечное содержание указанных элементов в питьевой воде составит: кальция 25-50 мг/л, магния 5-10 мг/л, 0,6-1,2 мг/л фтора и 0,04-0,06 мг/л йода, что меньше растворимостей таких соединений, как CaF₂ - 0,016 г/л, Са(IO₃)₂ - 0,19 г/л (Справочник химика, т. 3, М.-Л., 1966, с. 231), но соответствует рекомендациям СанПиН 2.1.4.1116-02. В то же время при использовании значения соотношения расходов потоков, превышающих 1/2000 (имеется в виду исходный поток, состоящий из двух вторичных), например, 1/1500, не исключено выпадение осадков труднорастворимых солей.

Учитывая, что концентраты вводят в разные потоки, а сами потоки вводят в накопитель с диаметрально противоположных сторон и, желательно, тангенциально, вся вода, находящаяся в накопителе, достаточно перемешана и однородна, т.е. выпадения осадков наблюдаться не будет. В то же время минеральный состав полученной воды, согласно справочным данным, должен быть физиологически полноценным.

Была проведена экспериментальная проверка на потоке дистиллированной воды, расходом 2,0 л/мин, подаваемой из стеклянной бутыли, емкостью 40 л и разделенного на 2 потока по 1,0 л/мин при помощи тройника и силиконовых шлангов длиной 1 м каждый, потоки из которых изливались в общую емкость объемом 40 л. Расход 1,0 л/мин достигался предварительно при помощи кранов, которыми снабжались шланги. Ввод минерализующих реагентов осуществляли двумя перистальтическими микронасосами РР-х-20 (поставка фирмы Вилитек (г. Москва). Расход каждого минерализата составлял 0,5 мл/мин, т.е. соблюдалось соотношение 1/2000. Длительность эксперимента составляла 2 мин, в результате чего в бутыли-приемнике содержалось 4,0 л питьевой воды. Осадка не наблюдалось. Проведенный анализ показал соответствие содержания введенных компонентов заданному. В следующих экспериментах соблюдались все те же параметры за исключением содержания фтора в минерализате - оно составляло в первом случае 1 г/л, а во втором 3 г/л, т.е. в первом было несколько меньше заявленного, а во втором - превышало верхнее значение заявленного диапазона. Проведенный анализ полученной кондиционированной воды показал в первом случае недостаток в ней фтора (0,5 мг/л), чего, собственно и следовало ожидать. Во втором случае наблюдалась повышенная мутность получаемой воды, которая за ночь стояния образовала слой осадка, состоящего, как показал анализ, из фторида кальция. Подобные изменения с другими компонентами минерализата - йодатом, кальцием и магнием привели к аналогичным результатам. Это доказывает правильность выбранного диапазона концентраций компонентов в минерализатах при соотношении скоростей потоков 1/2000. Очевидно также, что изменение в меньшую или большую сторону значения 1/2000 при выбранных концентрациях минерализатов, также либо приведет к осадкообразованию, либо даст готовый продукт с недостаточным содержанием кондиционирующих элементов.

В заключение была проведена проверка работоспособности предлагаемого способа при больших скоростях водного потока. При этом в качестве источника пресной воды использовалась бытовая (использующаяся на дачах) цилиндрическая пластиковая емкость с навинчивающейся крышкой объемом 1000 л, заполненная дистиллированной водой. Поток воды подавался из емкости с помощью погружного электронасоса производительностью 3500 л/ч, после чего при помощи тройника делился на два вторичных потока и по одинаковым пластиковым трубам диаметром 40 мм поступал во вторую емкость, аналогичную первой. Расход потоков в обеих трубах регулировался вентилями и составлял по 1500 л/ч. Таким образом, суммарный водный поток, идущий из накопительной емкости, имел расход 3000 л/ч. В оба вторичных потока подавали описанные выше минерализующие концентраты - в один, содержащий соли кальция и магния, в другой фтора и йода. Расход концентратов составляла 25 мл/мин, т.е. соблюдалось соотношение расходов потоков 1/2000. Подачу минерализующих смесей начинали одновременно с запуском погружного насоса и продолжали 10 мин. В результате в приемной емкости содержалось 500 л кондиционированной воды. Осадка и мути не наблюдалось. Химический анализ показал соответствие полученной воды нормам СаНПиН 2.1.4.1116-02.

Таким образом, заявляемый способ прост в осуществлении, легко автоматизируется и позволяет получать минерализованную воду практически любого требуемого состава.

Изобретение может быть использовано на морских плавательных средствах - морских кораблях, судах и платформах, подводных лодках для подготовки кондиционированной питьевой воды на основе исходной опресненной воды. Согласно изобретению исходный поток опресненной воды разделяют на два примерно равных вторичных, в каждый из которых вводят водные концентраты минерализующих солей при соотношении потоков минерализата и опресненной воды - 1/2000. Содержание компонентов солей в минерализате составляет: кальция 75-85 г/л, магния 17-22 г/л, фтора 1,12-1,44 мг/л, йода 40-100 мг/л. Причем те минерализующие соли, которые образуют при взаимодействии между собой труднорастворимые соединения, вводят в разные вторичные потоки; затем оба потока вводят в удаленные друг от друга точки накопительной емкости. Способ обеспечивает достижение непрерывной минерализации необходимыми для кондиционирования ионами натрия, калия, кальция, магния, бикарбонатами, фторидами, сульфатами, йодатами реально существующих на морских плавательных средствах потоков опресненной воды. 1 ил.

Способ получения кондиционированной питьевой воды путем дозированного введения в поток опресненной воды концентратов минерализата - водных концентратов минерализующих солей, отличающийся тем, что исходный поток разделяют на два примерно равных вторичных потока, содержание компонентов солей в минерализате составляет: кальция 75-85 г/л, магния 17-22 г/л, фтора 1,12-1,44 г/л, йода 40-100 мг/л при наличии в нем также калия, натрия, бикарбонатов и сульфатов, причем те минерализующие соли, которые образуют при взаимодействии между собой труднорастворимые соединения, вводят в разные вторичные потоки, соблюдая при этом соотношение скоростей потоков минерализата и опресненной воды - 1/2000, затем оба потока вводят в удаленные друг от друга точки накопительной емкости.