Устройство для очистки загрязненной водной среды путем вибрационного фильтрования Российский патент 2023 года по МПК B01D29/11 

Изобретение относится к технологическому использованию вибрационной энергии и может быть применено в различных отраслях промышленности, в частности в процессах, осуществляемых с использованием водной среды, при фильтрации растворов, при получении тонких суспензий и эмульсий, активации сред, коагуляции суспензий, обезгаживания жидкостей, смешиванию различных сред, в том числе получения композиций, для очистки сточных вод и т.д.

Основные процессы промышленных технологий в большинстве своём отличаются значительной сложностью и зачастую представляют собой сочетание химических, гидродинамических, тепловых и диффузионных процессов. Кроме того, потоки сред, участвующих в процессе, чрезвычайно чувствительны к внешним возмущениям, в том числе и к акустическим колебаниям. В вибрационном поле определённой интенсивности возникают вихревые потоки, называемыми акустическими течениями.

При ультразвуковой обработке жидких сред очень часто ультразвуковые колебания вводят через концентратор или волновод, конец которого имеет акустический контакт с обрабатываемой средой. При таком способе введения ультразвуковых колебаний в обрабатываемой среде получается очень неоднородное поле акустических давлений и в нём возникает движение обрабатываемой среды. В этом случае однородность обрабатываемого объёма в очень сильной степени будет зависеть от формы и расположений тока возникающих течений.

Среди известных технологических процессов, осуществляемых в акустических (вибрационных) полях, немало таких, в которых определяющее воздействие поля реализуется в области с характерным размером, меньшим длины упругой акустической волны. В первую очередь сюда относятся технологические процессы, протекающие на границе раздела фаз: пропитка, химическое осаждение, флотация и пр. Представляется целесообразным в этих задачах конструктивно-технологическую схему процесса реализовать не в большом объёме жидкости, как носителя акустического (вибрационного) поля, а в тонком жидком слое, расположенном на поверхности твёрдого тела.

Очень важным технологическим процессом является непрерывная фильтрация при помощи вибрационных колебаний. Фильтрация жидких систем основана на принципе вибрирующего фильтра. В качестве фильтрующего элемента используется металлическая сетка, совершающая колебания с различной частотой. При использовании вибрирующей сетки с размером ячейки в свету 60 мкм оказывается возможным отфильтровать все частицы, взвешенные в жидкости размером более 5 мкм.

Огромное количество технологических параметров различных химических и химико-технологических процессов в значительной мере позволяет их целенаправленным регулированием получать заданные конечные свойства химических веществ, материалов, изделий и других видов готовой промышленно продукции.

Параметры вибрации не могут назначаться в отдельности или произвольно. Они должны связываться с физическими характеристиками обрабатываемой среды, вибрационной системы в целом.

Возникает необходимость в создании вибрационного оборудования с регулируемым амплитудно-частотным режимом колебаний.

Кроме того, в ряде случаев необходимо использование гаммы (спектра) резонансных частот, а значит, в этом случае используют несколько излучателей с различными резонансными частотами.

Существует потребность в создании устройства для обработки жидкостей, сочетающего в себе ряд требований - работы в режиме «тонких плёнок», непрерывном режиме фильтрации или акустического (вибрационного) проточного фракционирования, позволяющего производить в ходе технологического процесса изменения амплитудо-частотных характеристик колебаний, одновременного или последовательного воздействия на среду нескольких частот с одного излучателя (элемента).

Известен напорный фильтр с вибратором, который включает цилиндрическое сито тонкой очистки, имеющее перфорацию в форме отверстий или в форме щелей, неподвижно установленное в корпусе в вертикальном положении. Внутри сита установлен осевой цилиндрический вибратор с образованием кольцевого зазора, в котором располагается двигатель вибратора, который выполняет круговые горизонтальные колебания и в котором жидкость, которая должна обрабатываться, вводится с одной стороны кольцевого зазора, классифицированная или концентрированная жидкость удаляется с противоположной стороны, а очищенная жидкость или жидкость, снабженная мелкодисперсными частицами, отводится между ситом и стенкой корпус (RU 2457887 C2, опубликовано 10.08.2012).

Недостаток фильтра заключается в малой производительности.

Известно устройство для обезвоживания шламов, которое содержит корпус с крышкой, на которой установлен вибратор, наклонное днище с уклоном в сторону приямка, концентрически расположенный в корпусе вертикальный фильтрующий элемент из нержавеющей стали. В нижней боковой части устройства установлены трубопровод подачи обрабатываемого шлама, трубопровод отвода фильтрата, соединенный с регулятором скорости отвода фильтрата, и трубопровод подачи промывающей жидкости, соединенный с перфорированной трубкой, коаксиально размещенной в центре фильтрующего элемента. Трубопровод отвода уплотненного осадка расположен в донной части устройства и соединен с приямком (RU 2006254 C1, 1992).

Недостаток устройства заключается в том, что мелкие частицы не отфильтровываются.

Наиболее близкой к предложенному устройству является гидравлическая система для вибрационной фильтрации жидкости, включающая напорную и сливную линии рабочей жидкости, соответственно сообщенные с входом и выходом корпуса, в котором размещен цилиндрический пористый пьезоэлектрический керамический фильтрующий элемент типа титаната бария, соединенный с генератором электрических колебаний и разделяющий указанные вход и выход. Внешняя и внутренняя поверхности фильтрующего элемента покрыты металлическим проводящим слоем, металлизированные поверхности соединены с генератором электрических колебаний (US 4279751, опубликовано 21.07.1981). Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостаток данной системы заключается в том, что здесь невозможно использовать широкую полосу частот. Поэтому он не является управляемым в ходе очистки сред.

Техническая проблема, решаемая изобретением - расширение технологических возможностей устройства путём увеличения направлений распространения вибрационных колебаний и площади воздействия, а также создания возможности регулирования, изменения амплитудо-частотного режима колебаний, многочастотной обработки в ходе обработки сред.

Техническая проблема решается устройством для очистки водной среды, содержащим полый корпус, соединенный в верхней части с первым патрубком и в нижней части - с запорном устройством для вывода осадка, расположенный в корпусе цилиндрический фильтрующий элемент с пьезоэлектрическими свойствами, внутренняя полость которого сообщена в верхней части со вторым патрубком, а металлизированные поверхности которого соединены с генератором переменного напряжения, при этом, согласно изобретению, устройство снабжено трубкой, нижняя перфорированная часть которой расположена в корпусе, а верхняя часть соединена с вторым патрубком, а цилиндрический фильтрующий элемент с пьезоэлектрическими свойствами выполнен в виде ленты с пьезоактивной кристаллической бета фазой фторопласта, намотанной на перфорированную часть трубки с зазором между витками.

В одном варианте выполнения трубка выполнена закрытой в нижней части, первый патрубок предназначен для ввода очищаемой среды, а второй патрубок - для вывода очищенной среды.

В другом варианте выполнения трубка выполнена открытой в нижней части, которая предназначена для ввода очищаемой среды, а первый патрубок - для вывода очищенной среды.

На фиг. 1 показано предложенное устройство для очистки водной среды путем вибрационного фильтрования.

Устройство содержит корпус 1 с первым патрубком 2 в верхней части для ввода очищаемой среды или для вывода очищенной среды в зависимости от режима работы устройства. В нижней части с корпусом 1 соединен кран 3 для отвода осадка. Устройство содержит вертикальную цилиндрическую трубку 4 с перфорацией на нижней части ее длины. С верхней частью трубки 4 соединен второй патрубок 5 для отвода очищенной среды. Нижний конец трубки 4 может иметь резьбу 6 для крепления устройства в корпусе 1 и может быть открыт или перекрыт в зависимости от режима работы устройства. Поверх перфорированной части трубки 4 намотан фильтрующий элемент с пьезоэлектрическим свойствами в виде ленты 7 шириной d с пьезоактивной кристаллической бета фазой фторопласта. Намотка произведена с зазором k между витками. На противоположных поверхностях ленты 7 нанесена металлизация, например, медная. Провода 8 подсоединены к поверхностям ленты 4 и подключены к генератору 9 (Г) переменного напряжения или импульсного.

Технология изготовления ленты 7 основана на современных методах модификации свойств материалов. Волокно из фторопласта формуется под высоким напряжением электрического поля, и он переходит из стабильной кристаллической фазы в пьезоактивную кристаллическую бета фазу.

Как известно, обратный пьезоэффект заключается в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется. При деформации пьезоэлектрика работа затрачивается на образование энергии упругой деформации и энергии возникающего при этом результате пьезоэффекта электрического поля. При изготовлении ленты 7 из такого материала и нанесении на обе стороны металла получаем устройство, в котором при подаче на металлические обкладки с генератора 9 переменного напряжения, возникает обратный пьезоэлектрический эффект, проявляющийся в изменении размеров зазора между витками ленты 7, намотанной на трубку 4, которое происходит с частотой приложенного напряжения. Размеры трубки, ширина ленты и величина зазора могут быть различными в зависимости от объёма очищаемой среды. Ширина ленты может составлять от 2 мм до 1 метра, а намотка может быть произведена с зазором между витками 1-100мкм Размеры трубки могут составлять от 5см до 1 метра.

Таким образом появляется динамический зазор.

В литературе имеются результаты исследования, выявляющие степень влияния интенсивности вибрации и зависимости пропускной фильтрующей способности от амплитуды, частоты и коэффициента интенсивности вибрации, позволяющие установить рациональные параметры вибрации (Крикун А.И. Руднев С.Д. «Исследование процесса фильтрования морской воды насыпными фильтрами с применением вибрации», Вестник ВГУИТ, 2018, Т. 80, № 1).

При подаче переменного (в частности, импульсного) напряжения на ленту 7 возникают вибрации, и происходит геометрическое изменение зазора между витками ленты 4, динамическое изменение зазора. Обрабатываемая жидкая среда проходит через этот динамический зазор и подвергается воздействию в соответствии с тем, что планируется сделать - очистка среды или смешивание сред.

Устройство симметрично и может работать в двух направлениях. Обрабатываемая среда (поток П1) подаётся через патрубок 2, очищенная выводится через патрубок 5 или обрабатываемая среда подается через низ трубки 4 (поток П2), а очищенная выводится через патрубок 2. Механические нерастворимые частицы, примеси, хлор и его производные, вирусы, бактерии, тяжелые металлы и т. д. собираются в корпусе 1, из которого сливаются через кран 3 (можно установить автоматический клапан) в ёмкость для утилизации. Трубка 4 изготовлена из неметаллического материала, например, полимера (разрешенного к контакту с пищевыми средами, если таковые обрабатываются) или стойким к агрессивным средам при работе с ними. Трубка 4 выполнена перфорированной для прохождения обрабатываемой среды через динамический зазор и отверстия 10 внутрь трубки. Генератор 9 может изменять режимы работы для подбора наиболее эффективной обработки сред. Степень очистки, например, воды зависит от диапазона частот. Такое электроакустической устройство имеет весьма широкий диапазон частот от нескольких десятков герц до частот СВЧ диапазона.

Пример.

Обработка воды производилась с помощью предложенного устройства с подачей напряжения от генератора с частотой 20 кГц и интенсивности 0,5 Вт/см2. Использовали лабораторный образец с размером трубки 10 см, ленты 5 см, зазор 5 мкм. Результаты обработки приведены в таблице 1.

Таблица 1 № Наименование определяемого показателя КХА исходной воды КХА очищенной воды Эффективность очистки, % 1 Водородный показатель, рН 6,58 8,75 Норма ПДК 2 Взвешенные вещества, мг/дм³ 47 25,0 Норма ПДК 3 Фосфаты, мг/дм³ 4,50 0,15 96,6 4 Фосфаты (по фосфору), мг/дм³ 1,49 0,04 97,3 5 Гидрокарбонаты, мг/дм³ 436,29 369,17 Норма ПДК 6 Хлорид-ион, мг/дм³ 221,3 73,2 67 7 Ион аммония, мг/дм³ 70,87 11,24 84 8 Ион аммония (по азоту), мг/дм³ 55,28 8,77 84 9 Нитрит-ион, мг/дм³ <0,02 0,134 Норма ПДК 10 Нитрат-ион, мг/дм³ <0,10 <0,10 Норма ПДК 11 ХПК, мгО/дм³ 790,0 184 77 12 Фторид-ион, мг/дм³ 0,29 0,26 Норма ПДК 13 Фенолы, мг/дм³ 0,128 0,037 71 14 Железо общее, мг/дм³ 12,937 0,103 99,2 15 Хром общий, мг/дм³ <0,005 <0,005 Норма ПДК 16 Медь, мг/дм³ 0,013 0,005 Норма ПДК 17 Цинк, мг/дм³ 0,019 0,004 79 18 Никель, мг/дм³ 0,027 0,006 78 19 АПАВ, мг/дм³ 0,10 0,06 Норма ПДК 20 Нефтепродукты, мг/дм³ 0,34 0,07 79 21 Жиры, мг/дм³ 12 0,145 98,8 22 Свинец, мг/дм³ <0,002 <0,002 Норма ПДК 23 Формальдегид, мг/дм³ 0,035 0,01 71,4 24 Метанол, мг/дм³ 0,361 0,1 Норма ПДК 25 Хлороформ, мг/дм³ 0,08 0,01 87,5 26 Кальций, мг/дм³ 90,7 20,67 Норма ПДК 27 Барий, мг/дм³ 0,075 <0,05 Норма ПДК 28 Калий, мг/дм³ 48,7 4,35 91,1

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении скорости очистки, увеличении эффективности очистки и обеззараживания водных сред, мощной интенсификации любых процессов в водных средах и многочастотной обработкой в отличие от прототипа.

Применение вибрации для водоподготовки основано на выполнении гигиенических требований к качеству питьевой воды согласно санитарным правилам и нормам: СанПин 2.1.4.559-96, СанПин 2.1.4.1116-02, ГОСТ 12.2.051-80.

Основные достоинства изобретения - обеспечение высокого качества воды без изменения её состава, уничтожение болезнетворных и вредоносных микроорганизмов, перемешивание водных слоёв, ликвидация бактериального налёта и помутнений, предотвращение возникновения накипи в теплообменном оборудовании, повышение срока эксплуатации и эффективности, удаление водорослей и пр.

При этом методе обработки сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворённые неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества.

Преимущества предложенного устройства заключаются в отсутствии необходимости в обслуживании, ремонте, замене запчастей и комплектующих, например, сменных картриджей. Минимальное потребление электроэнергии - до 60 Вт. Устройство обладает простотой и мобильностью, никакого сложного монтажа и инженерных переделок, имеет возможность использования в различных производственных процессах, экологично.

Изобретение относится к технологическому использованию вибрационной энергии и может быть применено в различных отраслях промышленности, в частности в процессах, осуществляемых с использованием водной среды. Устройство содержит корпус 1 с первым патрубком 2 в верхней части для ввода очищаемой среды или для вывода очищенной среды в зависимости от режима работы устройства. В нижней части с корпусом 1 соединен кран 3 для отвода осадка. Устройство содержит вертикальную цилиндрическую трубку 4 с перфорацией на нижней части ее длины. С верхней частью трубки 4 соединен второй патрубок 5 для отвода очищенной среды. Нижний конец трубки 4 может иметь резьбу 6 для крепления устройства в корпусе 1 и может быть открыт или перекрыт в зависимости от режима работы устройства. Поверх перфорированной части трубки 4 намотан фильтрующий элемент с пьезоэлектрическими свойствами в виде ленты 7 с пьезоактивной кристаллической бета-фазой фторопласта. Намотка произведена с зазором между витками. На противоположных поверхностях ленты 7 нанесена металлизация, например медная. Провода 8 подсоединены к поверхностям ленты 7 и подключены к генератору 9 переменного напряжения или импульсного. Технический результат: повышение скорости очистки, увеличение эффективности очистки и обеззараживания водных сред, мощная интенсификация любых процессов в водных средах и многочастотная обработка. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для очистки водной среды, содержащее полый корпус, соединенный в верхней части с первым патрубком и в нижней части - с запорном устройством для вывода осадка, расположенный в корпусе цилиндрический фильтрующий элемент с пьезоэлектрическими свойствами, внутренняя полость которого сообщена в верхней части со вторым патрубком, а металлизированные поверхности которого соединены с генератором переменного напряжения, отличающееся тем, что снабжено трубкой, нижняя перфорированная часть которой расположена в корпусе, а верхняя часть соединена со вторым патрубком, а цилиндрический фильтрующий элемент с пьезоэлектрическими свойствами выполнен в виде ленты с пьезоактивной кристаллической бета-фазой фторопласта, намотанной на перфорированную часть трубки с зазором между витками.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что трубка выполнена закрытой в нижней части, первый патрубок предназначен для ввода очищаемой среды, а второй патрубок - для вывода очищенной среды.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что трубка выполнена открытой в нижней части, которая предназначена для ввода очищаемой среды, а первый патрубок - для вывода очищенной среды.