СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ Российский патент 2023 года по МПК C02F1/34 

Изобретение относится к области водоподготовки и может быть использовано в химической и фармакологической промышленности для ускорения химических реакций в технологических процессах, в сельском хозяйстве для стимуляции биологических процессов, в нефтехимии для приготовления композитных топлив (водотопливных эмульсий).

Известные способы водоподготовки направлены, в основном, на обогащение воды ионами ОН", то есть на повышение водородного показателя рН. Цель, в таком случае, достигается либо применением химических реагентов, либо физическим фактором.

Известен способ обработки воды (Method and apparatus for water treatment. US 89514191, IntCl. C02F 1/66, B01F 3/08. Publication Date 02/10/2015), включающий этапы: подачу воды в устройство для перемешивания с добавлением углекислоты в воду для снижения рН; добавление гидроксида кальция к воде, причем указанная стадия включает приготовление суспензии из гидроксида кальция и воды с использованием механического перемешивания при вращении рабочего колеса от 300 до 5000 об/мин, и на последнем этапе после достижения необходимого рН вода очищается путем фильтрации с использованием обратного осмоса.

К недостаткам этого изобретения следует отнести использование химических реактивов и сложность подбора их соотношения для достижения нужного рН. Наличие химических реагентов требует очистки воды (удаление реагентов) и для этого в заявленном изобретении используется достаточно дорогой метод фильтрации с использованием обратного осмоса.

Известен способ обработки воды физическим фактором путем корректировки рН (Method for adjusting the рН of water. ЕР 0642824 A1 Int.Cl. B01D 61/44, C02F 1/469. Date of publication 15.03.95). Регулируют значение рН воды путем пропускания ее в каскадной системе, включающей электродиализную ячейку с управляемыми подвижными мембранами, которые могут быть смещены между электродами (катодом и анодом) перпендикулярно потоку воды через указанную ячейку, для регулирования рН воды, обработанной в ячейке. Отрегулированный рН воды, приготовленной по этому способу, предпочтительно используют для обработки очень кислых или щелочных почв, чтобы корректировать значения рН до их обычных значений с помощью кислой воды имеющей значение менее 7 в случае щелочных почв, и с помощью основной воды, имеющей значение рН более 7 в случае кислых почв.

Однако, такой способ корректировки рН обладает рядом недостатков. Электродиализный аппарат действует как электрофильтр. Коллоидные и взвешенные частицы, содержащиеся в исходной воде, из-за явления электрофореза осаждаются внутри его камер на мембранах, экранируя их, что отрицательно сказывается на работе всего электродиализного аппарата (Смагин В.Н. Обработка воды методом электродиализа. - М.: Стройиздат, 1986. - 172 с.). Кроме того, устройство для реализации этого способа очень сложное, требует опыта наладки такого оборудования и дорогостоящее. Как правило, такие устройства не могут обеспечить достаточную производительность, что требуется в промышленности.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ активации воды, содержащийся в патенте RU 2515770, C02F 1/34, 23.11.2012 (прототип), в соответствии с которым обработку воды производят путем гидродинамической кавитации при реализации режима объемной турбулентности потока, возникающего при пропускании воды через нагнетательную камеру роторного устройства для гидродинамической кавитации, состоящего из набора от 4 до 15 плоских дисков, расположенных под углом от 0° до 15° относительно друг друга при скорости вращения ротора равной 2000-4000 об/мин и продолжительностью обработки воды 40-160 секунд. Вход воды в нагнетательную камеру устройства происходит через переднюю крышку роторного узла.

Однако такой способ активации воды не обеспечивает достаточную эффективность обработки воды (достигнут рН=7,9 и ниже). С нашей точки зрения этому способствует следующее:

- для создания кавитации, вода поступающая на активацию, должна иметь разрежение, а в заявленном способе, она подается под давлением;

- наличие плоских дисков так же не способствует возникновению кавитации, так как известно (Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. Наука, Москва, 1974 г., с. 584-586), что при течении по гладкому диску, жидкость между пограничными слоями с каждой стороны диска вращается с угловой скоростью, в два раза меньше, чем угловая скорость диска;

- корректировка рН осуществляется за счет изменения количества дисков ротора (от 4 до 15), что требует остановки процесса и затрат времени на монтаж устройства.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является достижение максимально возможной (необходимой) активации (высоким уровнем рН) при постоянном контроле величины рН. Технический результат – получение воды со значением рН в интервале значений 7,7 – 9,33.

Техническая задача достигается тем, что в способе обработки воды, включающем воздействие на нее гидродинамической кавитации, возникающей при пропускании воды через роторный узел устройства для гидродинамической кавитации согласно предлагаемому изобретению обработку воды осуществляют в гидродинамическом дезинтеграторе в режиме кавитации, создаваемой на зубьях в роторном узле устройства, который состоит из конического ротора, набранного из дисков зубчатой формы, обеспечивающих: вакуумную кавитацию, ударные воздействия на воду и ультразвуковые колебания от чередующихся зубьев, и установленного после дисков насосного колеса, обеспечивающего разрежение в воде при ее входе в роторный узел для создания кавитации, причем обработка воды ведется при частоте вращения ротора от 4050 об/мин до 9000 об/мин и времени обработки от 5 до 15 минут, а степень активации определяют по датчику рН, установленному на выходе из устройства. Техническая задача достигается так же тем, что образующаяся в процессе обработки воды газовая среда удаляется вакуумным насосом.

Авторам не известны технические решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения.

На Фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа обработки (активации) воды.

На Фиг. 2 представлено устройство - дезинтегратор (гидродинамический активатор жидкости) в разрезе.

На Фиг. 3 показан зубчатый диск, благодаря зубьям которого создается вакуумное кавитационное течение, ударное воздействие на обрабатываемую воду и ультразвуковые колебания.

На Фиг. 4 представлены зависимости рН от времени обработки и частоты вращения ротора.

Устройство (Фиг. 1) для обработки воды включает: дезинтегратор 1, в проточной части которого осуществляется вакуумная кавитация, ударные воздействия на воду и ультразвуковые колебания от удара по воде чередующихся зубьев; ременная передача 2, обеспечивающая через электродвигатель 3 вращение ротора дезинтегратора 1; частотный преобразователь 4 для регулирования оборотов вращения ротора дезинтегратора 1; емкость 5 для обрабатываемой жидкости; кран 6 для забора пробы воды; вакуумный насос 7 и датчик рН 8.

Дезинтегратор (Фиг. 2) включает: корпус 9 с входным патрубком дезинтегратора 1, набор зубчатых дисков 10, насосное колесо 11, выходной патрубок 12, вал 13 ротора дезинтегратора 1, заднюю крышку 14 корпуса дезинтегратора 1. Зубчатый диск (Фиг. З), благодаря своей конструкции позволяет располагать на нем зубья разной высоты и толщины, а его прямая передняя кромка развивает максимальную силу удара по воде в процессе вращения вала 13 ротора дезинтегратора 1.

Устройство, реализующее предлагаемый способ работает следующим образом. В емкость 5 заливается подвергаемая обработке вода и открывают вентили перед и за дезинтегратором 1. Через частотный преобразователь включают электродвигатель 3, который через ременную передачу 2 приводит вал 13 ротора дезинтегратора 1 во вращение.

Необходимые обороты ротора устанавливаются через частотный преобразователь 4. Это позволяет регулировать обороты ротора от 0 до 9000 об/мин.

Вода, через входной патрубок в корпусе 9 (Фиг. 2), поступает на конический ротор, набранный из зубчатых дисков 10. В процессе перемещения воды через зубчатые диски 10 осуществляются следующие эффекты: ударные воздействия зубьев на воду, кавитационное течение с вакуумной кавитацией и ультразвуковые колебания в обрабатываемой воде за счет чередующихся ударов зубьев. Эффективность образования кавитации обеспечивается также насосным колесом 11, которое создает разрежение среды уже на входе в дезинтегратор и таким образом, создает предпосылки для создания вакуумной кавитации. Вакуумная кавитация - это создание разрыва сплошности среды с образованием пустот (каверн) и мелких вакуумных пузырьков за зубьями при большой скорости их обтекания. При схлопывании этих пустот создаются большие давления и температуры, что обеспечивает разрыв молекул воды на Н⁺ и ОН^-, чем и объясняется повышение активности воды.

Устройство может работать как с включенным вакуумным насосом 7, так и с выключенным. За процессом активации можно наблюдать в процессе обработки воды по датчику рН 8. При обработке вода для анализа забирается через кран 6.

Пример 1. По вышеописанному способу было обработано 10 литров водопроводной воды (рН=6,95), размещенной в емкости 5. Перед обработкой открываются краны перед и за дезинтегратором 1 и через частотный преобразователь 4 включается электродвигатель 3. Методом циркуляции вода пропускалась через дезинтегратор 1. Обработка велась с выключенным вакуумным насосом 7. Это делалось для того, чтобы оценить количество образующихся газов в процессе обработки. Обработка воды велась при 4050 об/мин и 6000 об/мин. Образцы воды забирались через 5, 10 и 15 минут. В процессе обработки постоянный контроль рН велся по датчику рН 8.

В качестве тестера рН использовался прибор РНТ-28, который предварительно калибровался по двум точкам: рН 4,01 и рН 6,86 в прилагаемых к тестеру калибровочных растворах. Погрешность для рН:±0,05 рН.

На Фиг. 4 представлены полученные в результате эксперимента(Пример 1 и Пример 2) зависимости рН от времени проведения эксперимента Т и частоты вращения (числа оборотов) вала ротора 13: Поз. 15-4050 об/мин, Поз. 16-6000 об/мин, Поз. 17-4050 об/мин, Поз. 18-6000 об/мин, Поз. 19-9000 об/мин. На Фиг. 4 представлены данные Примера 1 полученные в результате эксперимента зависимости рН от числа оборотов (15 - при 4050 об/мин и 16 - при 6000 об/мин). При 9000 об/мин эксперимент не проводился, так как в результате обработки воды в системе образовалось большое количество газа (кроме воздушных пузырьков, покинувших воду, в процессе обработки в газ перешел, как мы предполагаем, и водород в виде Н⁺.

Как видно из Фиг. 4, значение рН при 4050 об/мин изменяется от 7,7 при 5 минутах обработки до значения рН=7,97 при 15 минутах обработки. При 6000 об/мин эти значения соответственно меняются от рН=7,96 до рН=8,18, что выше чем у прототипа.

После завершения опытов прибор РНТ-28 снова был подвержен калибровки. Обе реперные точки показали полное соответствие регламенту: рН=4,01 и рН=6,86.

Пример 2. Методика испытаний была такой же как и в Примере 1. Однако, обработка воды велась с включенным вакуумным насосом. В этом случае наблюдается резкое увеличение значений рН. Значение рН при 4050 об/мин Поз. 17 изменяется от 8,09 при 5 минутах обработки до значения 8,8 при 15 минутах обработки. При 6000 об/мин Поз. 18 эти значения соответственно меняются от рН=8,4 до рН=9,08, а при 9000 об/мин Поз. 19 эти значения изменяются соответственно от рН=8,85 до рН=9,33. Это значительно выше, чем у прототипа.

Значения рН в отобранных пробах не изменились и после истечения 1 месяца.

По нашему предположению, в процессе обработки воды в роторном узле дезинтегратора молекула воды разделялась на Н⁺ и ОН^-, и водород, как газ, вместе с воздушной средой удалялся (в Примере 2) из системы вакуумным насосом, а ОН^- повышал значения водородного показателя рН. В Примере 1 система была замкнута и водород не удалялся и снова вступал в соединение с ОН^-, поэтому больших значений рН получить не удалось.

В обоих случаях в предлагаемом Способе обработки воды эффективность повышения рН (активация воды) значительно выше, чем у прототипа.

Изобретение относится к области водоподготовки и может быть использовано в химической и фармакологической промышленности для ускорения химических реакций в технологических процессах, в сельском хозяйстве для стимуляции биологических процессов, в нефтехимии для приготовления композитных топлив (водотопливных эмульсий). Способ обработки воды включает воздействие на нее гидродинамической кавитации, возникающей при пропускании воды через роторный узел устройства для гидродинамической кавитации. Обработку воды осуществляют в гидродинамическом дезинтеграторе в режиме кавитации, создаваемой на зубьях в роторном узле устройства. Ротор представляет собой конический ротор, набранный из дисков зубчатой формы. Диски обеспечивают вакуумную кавитацию, ударные воздействия на воду и ультразвуковые колебания от чередующихся зубьев и установленного после дисков насосного колеса. Насосное колесо обеспечивает разрежение в воде при ее входе в роторный узел для создания кавитации. Обработка воды ведется при частоте вращения ротора от 4050 до 9000 об/мин и времени обработки от 5 до 15 мин. При этом осуществляют определение рН по датчику, установленному на выходе из устройства. Образующаяся в процессе обработки воды газовая среда удаляется вакуумным насосом. Технический результат: получение воды со значением рН в интервале значений 7,7-9,33. 1 з.п. ф-лы, 2 пр., 4 ил.

1. Способ обработки воды, включающий воздействие на нее гидродинамической кавитации, возникающей при пропускании воды через роторный узел устройства для гидродинамической кавитации, отличающийся тем, что обработку воды осуществляют в гидродинамическом дезинтеграторе в режиме кавитации, создаваемой на зубьях в роторном узле устройства, который состоит из конического ротора, набранного из дисков зубчатой формы, обеспечивающих вакуумную кавитацию, ударные воздействия на воду и ультразвуковые колебания от чередующихся зубьев и установленного после дисков насосного колеса, обеспечивающего разрежение в воде при ее входе в роторный узел для создания кавитации, причем обработка воды ведется при частоте вращения ротора от 4050 до 9000 об/мин и времени обработки от 5 до 15 мин, а степень активации определяют по датчику рН, установленному на выходе из устройства.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образующаяся в процессе обработки воды газовая среда удаляется вакуумным насосом.