СПОСОБ СНИЖЕНИЯ КАРБОНАТНОЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭТОГО Российский патент 2018 года по МПК C02F1/46 

Настоящее изобретение относится к технической области очищения жидкости, а именно к возможности очистки природной или водопроводной воды от солей жесткости, что приводит к умягчению воды, кроме этого изобретение направлено на дополнительное очищение от вредных и не растворимых примесей, таких как тяжелые металлы, взвешенные частицы и другие.

Известно, что природная или водопроводная вода с большим содержанием солей (гидрокарбонатов, хлоридов и сульфатов) называется жесткой, с малым содержанием - мягкой.

В воде родников и колодцев всегда присутствуют соли щелочноземельных металлов в той или иной степени. Их источники - отложения в почве известняков, доломитов, гипса. Жесткость воды в природе подвержена изменениям в течение года: она увеличивается при испарении в жару и уменьшается весной и осенью. Талые и дождевые воды очень мягкие. В колодцах и артезианских скважинах концентрация солей постоянна, если они правильно изготовлены и изолированы от верхних стоков.

Есть несколько признаков, которые помогут это понять:

Ткани после стирки становятся жесткими на ощупь. На поверхности белья остаются продукты взаимодействия жирных кислот мыла и солей Са и Mg (белые разводы).

Моющие средства образуют мало пены, появляются хлопья, требуется большее количество мыла или порошка для стирки. Ионы кальция и магния реагируют с мыльными веществами, образуя устойчивые соли, чем снижают моющую способность средств.

Стенки чайника зарастают накипью. Выпавший осадок и есть карбонатные соли.

Краны постепенно покрываются налетом после испарения водопроводной воды с поверхности.

После умывания возникает ощущение стянутости и сухости кожи лица, растворяется защитная жировая пленка.

При умывании мягкой водой создается впечатление, что мыло не смывается, но это не так. Мягкой водой не смывается естественная защита кожи, что для нее очень полезно.

Различают несколько видов жесткости:

Временную (карбонатную) жесткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния Са(НСO₃)₂; Mg(HCO₃)₂:

Постоянную (некарбонатную) жесткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO₄, СаСl₂, MgSO₄, MgCl₂).

Различают несколько вариантов умягчения воды, один из них электродиализ. Основан он на удаление из воды солей под действием электрического поля.

Из предшествующего уровня техники известен один из способов уменьшения карбонатной жесткости циркуляционной воды оборотных схем охлаждения (авторское свидетельство СССР №132132А от 20.09.1960) направленный на повышение эффективности процесса, упрощения и удешевления его. Способ осуществляется за счет пропускания постоянного электрического тока через циркуляционную воду, при плотности его, отвечающей катодному процессу, протекающему с кислородной деполяризацией, причем на катоде происходит осаждение карбоната кальция и гидрата окиси магния вследствие нейтрализации бикарбонатного аниона ионами гидроксила, образующихся в катодном пространстве за счет ассимиляции электронов кислородом, находящихся в циркуляционной воде. Недостатками работы данного способа является:

- быстрое покрытие катода слоем осадка солей жесткости, после чего его нужно заменять или каким-то образом удалять осадок, из-за чего данная система уменьшения жесткости воды может работать только на оборотной воде.

- отсутствие разделения катодного и анодного пространства, так что часть обрабатываемой воды не подвергается очищению, соответственно показатель эффективности уменьшения жесткости воды снижается.

Так же известен еще один способ, направленный на регенерацию композиционного адсорбционного углеродного материала от адсорбированных веществ (патент №2171139 от 05.01.2000 г.). Работа способа заключается в заполнении слоя адсорбента раствором электролита с последующим пропусканием электрического тока. Причем при заполнении слоя адсорбента раствором электролита, удельная объемная электропроводность композиционного адсорбционного углеродного материала отличается от удельной объемной электропроводности электролита не более чем на порядок, а электрический ток пропускают с удельной плотностью не менее 0,01 ампер на грамм композиционного адсорбционного углеродного материала. Такой способ позволяет достичь высокой степени регенерации от органических, как полярных, так и неполярных, веществ и ионов тяжелых металлов.

Недостатком работы данного способа является разделение работы на две фазы: адсорбция из раствора и регенерация адсорбента под действием электрического тока, что приводит к малой эффективности очистки в отношении солей жесткости и соответственно к умягчению жесткости воды.

Так же известен еще один способ, направленный на уменьшение жесткости воды (патент №2137721 от 16.07.1998 г.), и обеспечивает повышение эффективности очистки воды от солей жесткости. Работа способа осуществляется следующим образом: в аппарате, имеющем в верхней части водослив для отвода обработанной воды, а в нижней части входной патрубок с защитой от наносов и сбросной клапан, размещены цилиндры круглого или другого геометрического сечения, которые служат катодом, а размещенный по оси каждого цилиндра анод выполнен в виде перфорированных трубок. Наружная поверхность анодов может быть покрыта диэлектрической краской, между катодом и анодом могут быть установлены проницаемые для ионов перегородки в виде цилиндрических или расширяющихся кверху усеченных конусов, а над отверстиями перфорированных анодов могут быть выполнены отгибы или козырьки, направляющие выделяющиеся на аноде газы внутрь трубок.

Недостатком работы заявленного способа является разделение работы на две фазы: адсорбция из раствора и регенерация адсорбента под действием электрического тока, что приводит к малой эффективности очистки в отношении солей жесткости и соответственно к умягчению жесткости воды.

По своим техническим характеристикам наиболее близкое к заявляемому является способ уменьшения жесткости воды (прототип по патенту №2148026 от 16.07.1998) направленный на снижение жесткости воды, предотвращение образования накипи на поверхностях теплообменников, бактерицидной обработки воды за счет выделения на катоде активного хлора. Процесс работы проводится в электролизере, рабочая поверхность которого служит катодом, а анод расположен коаксиально внутри электролизера по всей его длине. Водяной поток пропускают в ламинарном режиме вдоль оси электролизера и при достижении определенной толщины слоя осадка на катоде подают импульс тока, превышающего ток ионизации кислорода, достаточный для бурного выделения на катоде водорода, при этом направление движения водного потока изменяют на противоположное. Ионизацию кислорода катализируют за счет использования материалов с высоким перенапряжением выделения водорода, а водный поток перед обработкой электрическим током аэрируют.

Недостатками работы данного способа являются:

- отсутствие разделения катодного и анодного пространства, так что часть обрабатываемой воды может не подвергаться очистки;

- возможность попадания частиц осадка в очищенную воду.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа снижения карбонатной жесткости воды и устройство для этого, позволяющие обеспечить очистку природной или водопроводной воды от карбонатной жесткости, в фильтрующем устройстве.

Дополнительные задачи изобретения заключаются в обеспечении очищенной воды лучшими органолептическими показателями и отсутствием осадков и налета при кипячении во время использования фильтрующего устройства.

Технический результат способа снижения карбонатной жесткости воды, включающий в себя обработку воды постоянным электрическим током с осаждением в катодном пространстве карбонатов кальция и магния, удаляемых периодической промывкой в дренаж и одновременным транспортом ионов кальция и магния под действием электрического поля из анодного в катодное пространство и подкислением отфильтрованной воды в анодном пространстве, достигается за тем, что катодное и анодное пространство разделены пористой перегородкой, изготовленной из материала, обладающего способностью к адсорбции ионов кальция и магния.

Возможен вариант развития способа снижения карбонатной жесткости воды, включающий в себя обработку воды постоянным электрическим током с осаждением в катодном пространстве карбонатов кальция и магния, удаляемых периодической промывкой в дренаж и одновременным транспортом ионов кальция и магния под действием электрического поля из анодного в катодное пространство и подкислением отфильтрованной воды в анодном пространстве, при этом, что катодное и анодное пространство разделены пористой перегородкой, изготовленной из микропористый материал, полученного методом блочной полимеризации резорцина с формальдегидом.

Возможен вариант развития способа снижения карбонатной жесткости воды, в котором, фильтрация воды осуществляется через пористую перегородку из катодного в анодное пространство.

Возможен вариант развития способа снижения карбонатной жесткости воды, в котором обработка воды электрическим током осуществляется в промежутках между циклами фильтрации.

Возможен вариант развития способа снижения карбонатной жесткости воды, в котором обработка воды электрическим током осуществляется непосредственно в процессе фильтрации.

Возможен вариант развития способа снижения карбонатной жесткости воды, в котором может использовать микропористый материал, изготовленный из керамического материала.

Технический результат устройства для снижения карбонатной жесткости воды включающее в себя анод и катод, заключается в том, что фильтрующее устройство состоит из корпуса с крышкой, внутри которых помещены два цилиндрических электрода - внешний анод и внутренний катод, причем электроды разделены проницаемой фильтрующей перегородкой, изготовленной из пористого материала.

Возможен вариант развития устройства для снижения карбонатной жесткости воды включающее в себя анод и катод, в котором фильтрующее устройство состоит из корпуса с крышкой, внутри которых помещены два цилиндрических электрода - внешний анод и внутренний катод, причем электроды разделены проницаемой фильтрующей перегородкой, изготовленной из пористого материала, обладающего способностью к адсорбции ионов кальция и магния.

Возможен вариант развития устройства для снижения карбонатной жесткости воды, в котором перегородка может быть изготовлена из микропористого материала, полученного методом блочной полимеризации резорцина с формальдегидом.

Для более полного раскрытия сущности заявляемого технического решения на чертеже показано фильтрующее устройство.

Фильтрующее устройство состоит из цилиндрических электродов - внешнего анода поз.1 и внутреннего катода поз. 2, причем электроды разделены проницаемой фильтрующей перегородкой, изготовленной из микропористого материала, полученного методом блочной полимеризации резорцина с формальдегидом. Поз. 3 - стакан фильтра, поз. 4 - фильтрующий картридж, поз. 5 - дренажный сброс, поз. 6 - крышка фильтра, поз. 7 - выход фильтрата, поз. 8 вход потока воды, поз. 9 - отверстие сброса газов.

Поток фильтруемой воды в фильтрующем устройстве имеет радиальное направление от катода (поз. 2) к аноду (поз. 1), см. чертеж.

При этом обработка воды электрическим током осуществляется как в промежутках между циклами фильтрации, так и непосредственно в процессе фильтрации.

Между внешним анодом (поз. 1) и внутренним катодом (поз. 2), находится проницаемая фильтрующая перегородка, которая может быть изготовлена из несколько видов материалов:

- микропористый материал, полученный методом блочной полимеризации резорцина с формальдегидом;

- микропористый материал, изготовленный из керамического материала;

- пористый материал, изготовленный из керамического материала;

пористый материал, изготовленный из прессованного мелкофракционного активированного угля;

- пористый материал, содержащий моноблочный материал из активированного угля;

- пористый материал, содержащий гранулы ионообменной смолы;

- пористый материал, содержащий дробленый цеолит.

В составе микропористого материала, находятся ионообменные группы, которые могут улавливать катионы кальция и магния по ионообменному механизму. Попутно данный материал улавливает катионы тяжелых металлов. Внутри фильтрующего устройства находится картридж из прессованного мелкофракционного активированного угля.

Техническое решение настоящего изобретения реализуется следующим образом:

Во время регенерации под действием приложенного к электродам (поз. 1 и 2) напряжения во внутреннем объеме корпуса фильтра, заполненного жесткой водой, возникает электрический ток ионов Са²⁺, Mg²⁺, как растворенных в воде, так, в некоторой степени, и осевших в матрице полимера во время фильтрации, к стенке корпуса фильтра (катоду (поз. 2)). В противоположном направлении (к аноду (поз. 1)) движутся анионы солей жесткости (Сl^-, НСО₃^-, СО₃^2-, SO₄^2- и др.). На катоде (поз. 2) происходит электрохимическое восстановление катионов водорода до газообразного водорода, который удаляется через воздушный клапан (чертеж) по химическим реакциям (1, 2):

Анионы ОН^- остаются в воде, создавая щелочную среду. В присутствии ОН^- протекает ряд химических реакций:

При этом, чем более щелочная среда, тем более равновесие сдвинуто в сторону образования карбонат-аниона и, соответственно, карбонатов кальция и магния. Карбонаты кальция и магния частично оседают на катоде (поз. 2) и внешней стенке фильтрующего картриджа (поз. 4), а большая их часть смывается в дренажный сброс (поз. 5), т.к. во время регенерации постоянно происходит медленный слив воды из корпуса. В результате данных превращений в пространстве между катодом (поз. 2) и внешней стенкой картриджа (поз. 4) снижается жесткость.

На аноде (поз. 1) происходит электрохимическое окисление кислорода воды и хлорид-аниона по реакциям (6), (7):

Кислород удаляется через отверстие сброса газов (поз. 9), а в объеме воды, прилегающем к аноду (поз. 1), происходит накопление катионов водорода (кислоты), что препятствует осаждению солей жесткости во внутреннем пространстве картриджа (поз. 4).

Таким образом, во время регенерации происходит частичное вымывание катионов кальция и магния из объема матрицы фильтрующего картриджа (поз. 4) с восстановлением его ионообменной емкости к солям жесткости и выпадение карбонатов кальция и магния в осадок в объеме воды внутри корпуса фильтра, которые постоянно смываются через дренажный сброс (поз. 5). Также происходит подкисление воды, которая затем смывается в фильтрат. В целом, процесс регенерации позволяет потребителю во время фильтрации отбирать воду с пониженными рН и жесткостью, а из воды с пониженным рН осаждение солей жесткости на нагревательных элементах приборов и аппаратов затруднено.

Проведенные опытные исследования показали эффективность настоящего изобретения.

Настоящее изобретение относится к технической области очищения жидкости, а именно к возможности очистки природной или водопроводной воды от солей жесткости, что приводит к умягчению воды, кроме этого изобретение направлено на дополнительное очищение от вредных и нерастворимых примесей, таких как тяжелые металлы, взвешенные частицы и другие. Описан способ снижения карбонатной жесткости воды, включающий в себя обработку воды постоянным электрическим током с осаждением в катодном пространстве карбонатов кальция и магния, удаляемых периодической промывкой в дренаж, и одновременным транспортом ионов кальция и магния под действием электрического поля из анодного в катодное пространство и подкислением отфильтрованной воды в анодном пространстве, в котором катодное и анодное пространство разделены пористой перегородкой, изготовленной из микропористого материала, полученного методом блочной полимеризации резорцина с формальдегидом. Также описано устройство для снижения карбонатной жесткости воды. Технический результат: предложен способ снижения карбонатной жесткости воды, позволяющий обеспечить очистку природной или водопроводной воды в фильтрующем устройстве. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ снижения карбонатной жесткости воды, включающий в себя обработку воды постоянным электрическим током с осаждением в катодном пространстве карбонатов кальция и магния, удаляемых периодической промывкой в дренаж, и одновременным транспортом ионов кальция и магния под действием электрического поля из анодного в катодное пространство и подкислением отфильтрованной воды в анодном пространстве, отличающийся тем, что катодное и анодное пространство разделены пористой перегородкой, изготовленной из микропористого материала, полученного методом блочной полимеризации резорцина с формальдегидом.

2. Способ снижения карбонатной жесткости воды по п. 1, отличающийся тем, что фильтрация воды осуществляется через пористую перегородку из катодного в анодное пространство.

3. Способ снижения карбонатной жесткости воды по п. 1, отличающийся тем, что обработка воды электрическим током осуществляется в промежутках между циклами фильтрации.

4. Способ снижения карбонатной жесткости воды по п. 1, отличающийся тем, что обработка воды электрическим током осуществляется непосредственно в процессе фильтрации.

5. Способ снижения карбонатной жесткости воды по п. 1, отличающийся тем, что может использовать микропористый материал, изготовленный из керамического материала.

6. Устройство для снижения карбонатной жесткости воды, включающее в себя анод и катод, отличающееся тем, что фильтрующее устройство состоит из корпуса с крышкой, внутри которых помещены два цилиндрических электрода - внешний анод и внутренний катод, причем электроды разделены проницаемой фильтрующей перегородкой, изготовленной из пористого материала, обладающего способностью к адсорбции ионов кальция и магния.

7. Устройство для снижения карбонатной жесткости воды по п. 6, отличающееся тем, что перегородка может быть изготовлена из микропористого материала, полученного методом блочной полимеризации резорцина с формальдегидом.