УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL PURIFICATION OF DRINKING WATER

Изобретение относится к средствам обеспечения питьевого водоснабжения, в частности к устройствам для электрохимической очистки питьевой воды, и может быть использовано в бытовых условиях для доочистки водопроводной воды, а также для очистки природных вод и доведения ее санитарно-эпидемиологических, физико-химических и органолептических свойств до соответствия требованиям, предъявляемым к питьевой воде.
Известны бытовые очистители воды, реализующие в своей работе сорбционные и мембранные процессы. Их существенными недостатками являются накопление вредных примесей с последующим их попаданием в обрабатываемую воду, а также деионизация обрабатываемой воды.
Наиболее эффективно очищают воду устройства, использующие электрохимические методы очистки воды от антропогенных примесей в проточном или непроточном режимах.
Известно устройство для реализации способа электрохимической очистки воды путем пропускания ее внутри межэлектродных пространств пакета параллельных растворимых электродов с периодическим изменением полярности одновременно в проточном и непроточном режимах. Для этого межэлектродные пространства через одно перекрывают для создания непроточного режима очистки жидкости. При смене полярности электродов перекрывают ранее открытые межэлектродные пространства (авторское свидетельство SU 1165639 A, C02F 1/46, 1985). Данное известное изобретение позволяет предотвратить пассивацию электродов, но не обеспечивает необходимые физико-химические, санитарно-эпидемиологические и органолептические свойства воды. Объясняется это тем, что в проточных режимах очистки воды имеет место постоянный подвод к аноду и осаждение на нем солей жесткости, которые препятствуют растворению анода и тем самым уменьшают степень очистки воды в открытых межэлектродных пространствах, что снижает эффективность очистки воды в целом и не позволяет максимально улучшить потребительские свойства воды. Устройство также имеет достаточно сложную конструкцию и процесс очистки сложен в практической реализации при создании одновременно проточного и непроточного режимов в каждой паре соседних межэлектродных пространств, а также при обеспечении изменения режимов при переключении полярности электродов.
Известно устройство, реализующее способ электрохимической очистки питьевой воды по патенту RU 2043308 C1 (C02F 1/463, 1995). Устройство содержит емкость, в которой размещен пакет растворимых электродов в виде параллельных пластин. Часть электродов - аноды - выполнены из алюминиевого сплава, другая часть электродов - катоды - из сплава железа. Устройство также содержит источник питания и управления с понижающим трансформатором и выпрямитель, подсоединенный к сети переменного тока и к электродам устройства. Обработку воды ведут в непроточном режиме, после отключения электродов воду перемешивают токопроводящим предметом. Недостаток рассмотренного устройства связан с тем, что в емкости, где осуществляется электролиз, в процессе электролизации недостаточно перемешивается вода, что приводит к длительности процесса очистки и малой производительности устройства при недостаточной степени очистки обрабатываемой воды. Наличие заземленного токопроводящего предмета для перемешивания воды усложняет конструкцию и требует дополнительных манипуляций при осуществлении процесса очистки.
Известно «Устройство для электрохимической очистки питьевой воды» (патент RU 2361820 C1, C02F 1/463, C02F 1/465, 2009). Устройство содержит корпус реактора с крышкой, внутри которого размещена кассета, содержащая три вертикально расположенных электрода. В верхней части боковых электродов выполнены окна для прохода в свободный объем корпуса реактора водного потока, поднимающегося между электродами, при этом упомянутая кассета размещена в средней части корпуса реактора над его дном, а объем, который занимает кассета внутри корпуса реактора, составляет не более трети всего внутреннего объема корпуса реактора. При возникновении конвекционных потоков в реакторе очищаемая вода многократно проходит через блок электродов, где осуществляется процесс коагуляции. Однако часть потока воды поступает в межэлектродное пространство через боковые зазоры кассеты, не достигая дна реактора, что приводит к неравномерной очистке всего объема воды. Процесс в целом замедляется и для достижения желаемого результата необходимо увеличивать время обработки воды.
Известно «Устройство для электрохимической очистки питьевой воды» (патент RU 74910 U1, C02F 1/46, 2008). Устройство содержит источник питания, цилиндрический реактор с расположенным в нем пакетом растворимых электродов и фильтровальную емкость. В верхней части реактора установлен с возможностью вертикального перемещения по направляющим открытый сверху усеченный обратный конус с вертикальной ручкой. Крепление электродов в пакет блока электродов осуществлено защелками, боковые пластины защелок установлены в отверстия, проштампованные в катодных (боковых) пластинах, чем жестко фиксируют катодные пластины на рассчитанном друг от друга расстоянии. Центральный паз защелок фиксирует анодную (центральную) пластину на рассчитанном от катодных (боковых) пластин расстоянии. Недостатком изобретения является снижение эффективности процесса очистки воды за счет снижения скорости очистки, вызванное поступлением воды в межэлектродное пространство через боковые зазоры пакета электродов. Кроме того, прерывные боковые линии и отверстия во фронтальных поверхностях катодных пластин, необходимые для крепления электродов с помощью защелок, предусматривают использование дорогой и сложной технологической оснастки при изготовлении катодов (сложность матрицы и пуансона).
Из известных устройств наиболее близким к заявленному изобретению является «Устройство для электрохимической очистки питьевой воды» (патент RU 2398742 С2, C02F 1/463, C02F 1/465, 2010). Устройство содержит источник питания, который преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, и емкость реактора с расположенным в ней пакетом электродов с растворимым анодом на основе алюминия, причем в нижней части емкости реактора параллельно пакету электродов с растворимым анодом расположен пакет электродов с нерастворимым анодом. При этом пакет электродов с нерастворимым анодом может быть расположен под пакетом электродов с растворимым анодом или сбоку от него. Источник питания оснащен блоком делителя частоты для подачи напряжения питания с частотой 12 Гц ± 1 Гц и 3 Гц ± 1 Гц на пакет электродов с растворимым анодом, блоком переключения напряжения питания постоянного тока с пакета электродов с растворимым анодом на пакет электродов с нерастворимым анодом, блоком включения световой индикации и звуковой сигнализации. В данном техническом решении используются два режима работы устройства для осуществления процесса активной коагуляции при включении пакета электродов с растворимым анодом и процесса активной флотации при выключении пакета электродов с растворимым анодом и включении пакета электродов с нерастворимым анодом.
Указанное устройство по патенту RU 2398742 принимается за прототип.
Недостатком выбранного за прототип устройства является недостаточная эффективность процесса обработки воды, обусловленная невысокой скоростью процесса очистки в связи с его неравномерностью на разных уровнях объема реактора, что также оказывает влияние на свойства обработанной воды. Процесс активной электрокоагуляции, протекающий при включении пакета электродов с растворимым анодом, замедляется за счет уменьшения потока воды, поднимающегося в межэлектродное пространство через нижние зазоры пакета электродов, что вызвано поступлением воды в межэлектродное пространство через боковые зазоры пакета электродов, причем с разной скоростью на разных по высоте уровнях.
Применение пакета электродов с нерастворимым анодом несколько ускоряет процесс электрофлотации, однако наличие в емкости реактора нерастворимых электродов оказывает отрицательное действие на скорость всего процесса обработки воды. Так, при расположении пакета нерастворимых электродов под пакетом растворимых электродов во время протекания процесса электрокоагуляции образуется область практически не очищаемой воды в зоне нерастворимых электродов, что приводит к неравномерной очистке всего объема воды и увеличению времени ее обработки. Расположение пакета нерастворимых электродов сбоку от пакета растворимых электродов приводит к увеличению гидродинамического сопротивления потоку перемещающихся слоев жидкости и замедлению процесса очистки.
Циклическое перемещение водных слоев в верхней части блока растворимых электродов происходит с большей скоростью, чем циклическое перемещение потоков воды, опускающихся на большую глубину, что может привести к изменению минерального состава верхних слоев воды и изменению состава воды в целом.
Для осуществления процесса активной флотации в известном изобретении дополнительно используют пакет электродов с нерастворимым анодом. В результате электролиза с резко возрастающей концентрацией газа возникают тонкодиспергированные пузырьки газа, в основном электролитический водород, переизбыток которого приводит к изменению водородного показателя (рН) водной среды. Для каждого региона характерен свой водородный показатель воды, поэтому при дополнительном насыщении обработанной воды водородом ее кислотность повышается и может не соответствовать требованиям, предъявляемым к питьевой воде.
Расположенный в емкости реактора пакет электродов с нерастворимым анодом, а также сложный источник питания, который дополнительно оснащен блоком делителя частоты, блоком переключения напряжения питания с пакета электродов с растворимым анодом, работающих только в режиме электрокоагуляции, на пакет электродов с нерастворимым анодом, подключаемых по завершении режима электрокоагуляции, усложняют конструкцию выбранного за прототип устройства.
Целью изобретения является повышение эффективности очистки обрабатываемой воды за счет повышения скорости очистки, улучшение ее физико-химических и органолептических свойств и упрощение конструкции устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для электрохимической очистки питьевой воды, содержащем реактор с расположенным в нем над его дном пакетом электродов, состоящим из катодов и, по меньшей мере, одного растворимого анода, и источник питания, выходы которого соединены с пакетом электродов, боковые зазоры пакета электродов закрыты межэлектродными прокладками, выполненными из диэлектрического материала. При этом катоды выполнены в виде прямоугольной конструкции с непрерывными линиями боковых граней и сплошной фронтальной поверхностью, а межэлектродные прокладки выполнены в виде сплошной рейки с пазами для крепления электродов.
Межэлектродные прокладки, выполненные из диэлектрического материала, закрывают боковые зазоры пакета электродов, прекращая поступление воды в межэлектродное пространство через эти боковые зазоры и устраняя циклическое перемещение ее потоков с разной скоростью на разных по высоте уровнях реактора. Обрабатываемая вода с более высокой скоростью поднимается в межэлектродное пространство только через нижние зазоры пакета электродов и процесс коагуляции ускоряется за счет увеличения количества циклов прохождения очищаемой воды через весь блок электродов. Очистка воды в целом происходит равномерно по всему объему реактора и с большей скоростью, что приводит к повышению эффективности очистки обрабатываемой воды и улучшению ее свойств.
Перекрытие боковых зазоров пакета электродов обеспечивает движение потоков воды в межэлектродном пространстве снизу вверх по одинаковым циклам, что исключает возможность изменения минерального состава верхних слоев воды и изменения состава содержащихся в ней микроэлементов.
В отличие от прототипа устройство не содержит дополнительного блока электродов с нерастворимым анодом и сложного источника питания, которые используются в прототипе для повышения эффективности процесса очистки обрабатываемой воды за счет ускорения процесса электрофлотации, что исключает возможность сильного изменения кислотности обработанной воды, возникающего за счет переизбытка электролитического водорода при включении пакета нерастворимых электродов, упрощает конструкцию устройства, а также ускоряет процесс электрокоагуляции за счет отсутствия застойной зоны под пакетом электродов с растворимым анодом и отсутствия гидравлического сопротивления перемещающимся слоям жидкости.
Выполнение катодов в виде прямоугольной конструкции с непрерывными линиями боковых граней и сплошной фронтальной поверхностью упрощает конструкцию устройства и технологическую оснастку, необходимую для производства катодов, снижает стоимость катодов.
Выполнение межэлектродной прокладки в виде сплошной рейки с пазами для крепления электродов исключает использование специальных защелок с боковыми лепестками, устанавливаемыми в отверстия, проштампованные в катодных пластинах, упрощая конструкцию устройства.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами и фотографиями:
Фиг.1 - схема движения обрабатываемой воды в реакторе предлагаемого устройства для электрохимической очистки питьевой воды;
Фиг.2 - межэлектродные прокладки, выполненные в виде сплошной рейки с пазами;
Фиг.3 - схема движения обрабатываемой воды в реакторе устройства-прототипа для электролитической очистки питьевой воды;
Фиг.4 - фотография растворимого анода устройства-прототипа со следами боковых потоков обрабатываемой воды;
Фиг.5 - фотография растворимого анода предлагаемого устройства со следами потоков обрабатываемой воды.
Устройство для электрохимической очистки питьевой воды содержит реактор 1 (фиг.1) и источник питания 2, выходы которого соединены с пакетом электродов 3, расположенным над дном реактора. Пакет электродов 3 состоит из катодов и, по меньшей мере, одного растворимого анода. Боковые зазоры пакета электродов 3 сверху донизу закрыты межэлектродными прокладками 4, изготовленными из диэлектрического материала, например специального пластика, который в течение всего срока службы инертен и не влияет на качество воды. Межэлектродные диэлектрические прокладки (фиг.2) могут быть выполнены в виде сплошной рейки 5 с пазами 6, позволяющими осуществить крепление электродов в пакет блока электродов 3 и зафиксировать катодные и анодные пластины на рассчитанном друг от друга расстоянии, при этом боковые пазы рейки 5 жестко фиксируют катодные пластины (жесткая посадка), а посадка анодной пластины в центральный паз является свободной. Катоды могут быть выполнены в виде прямоугольной конструкции с непрерывными линиями боковых граней и сплошной фронтальной поверхностью.
Устройство работает следующим образом.
3
В емкость реактора 1 (фиг.1) устройства для электрохимической очистки питьевой воды заливают исходную воду до рассчитанного уровня. Включают источник питания 2 и на пакет электродов 3 подают напряжение, как правило, равное 12-36 вольт, сила тока несколько ампер. Катоды пакета электродов выделяют в воду электролитический водород, а анод из сплавов алюминия растворяется, выделяя ионы алюминия в водном растворе. Образуется гидроксид алюминия, который коагулирует, собирая из воды вредные примеси, и в виде хлопьев поднимается (флотирует) под действием электролитического водорода к поверхности. Одновременно на аноде образуются атомарный кислород и озон, которые активно окисляют органические примеси и обеззараживают воду и вместе с электролитическим водородом способствуют процессу электрофлотации. Пузырьки водорода и кислорода, захватывая частички мельчайших взвесей и хлопья коагулянта, поднимаются вверх, осуществляя процессы флотации. С помощью газовых пузырьков, образующихся в процессе электролиза, флотируются практически все тонкодисперсные взвеси веществ, гидроксиды тяжелых металлов, полимеры, жиры, масла, нефтепродукты в силу большой адгезивной способности молекул Al(ОН).
Вода, проходя между электродами, насыщается гидроксидами металла анода и пузырьками газов - водорода и кислорода. Образующиеся приэлектродные газы создают течение жидкости в межэлектродном пространстве, так как по мере подъема вверх плотность результирующего потока с газовыми фракциями и давление в межэлектродном пространстве уменьшаются. Ламинарное течение обрабатываемой воды в пространстве между электродами создает условия для перемешивания воды с пузырьками газа, мицеллами и хлопьями гидроксида металла анода как электрода коагуляции. Вода, проходящая между электродами и подвергающаяся очистке за счет процессов электрокоагуляции и электрофлотации, поднимается вверх и вместе со шламом выходит через верхние зазоры пакета электродов. Шлам всплывает на поверхность, а поток воды естественным образом попадает в свободный, не занятый электродами объем корпуса реактора. В свободном объеме поток жидкости распространяется параллельно поверхности воды, а затем опускается к дну свободной зоны реактора. У дна корпуса реактора через нижние зазоры пакета электродов поток втягивается в межэлектродное пространство. Высокая степень очистки обрабатываемой воды обеспечивается за счет того, что вода многократно проходит между электродами благодаря образованию конвекционных потоков. Круговорот воды в реакторе поддерживается непрерывно во время подачи напряжения на электроды и некоторое время после снятия напряжения.
После рассчитанного времени электрокоагуляции (активный режим) источник питания автоматически отключает пакет электродов и в емкости реактора протекает процесс отстаивания обработанной воды. Поскольку обработанная вода при этом содержит мельчайшие пузырьки электролитического водорода и кислорода, процесс отстаивания продолжает сопровождаться флотацией (пассивный режим). В результате, практически все хлопья коагулянта (шлама) и тонкодисперсных взвесей собираются на поверхности обработанной воды.
По сравнению с предложением, в устройстве-прототипе по патенту RU 2398742, содержащем реактор 7 (фиг.3), в котором размещен пакет электродов 8 с растворимым анодом с защелками 9 для крепления электродов и пакет электродов 10 с нерастворимым анодом, расположенный сбоку от пакета электродов 8 с растворимым анодом или под ним (на фиг.3 представлена схема движения обрабатываемой воды в реакторе устройства-прототипа при расположении пакета электродов 10 с нерастворимым анодом под пакетом электродов 8 с растворимым анодом), процесс очистки воды происходит неравномерно и с меньшей скоростью. В реакторе-прототипе боковые зазоры пакета электродов 8 с растворимым анодом открыты. При прохождении жидкости между электродами, по мере подъема вверх, плотность результирующего потока с газовыми фракциями и давление в межэлектродном пространстве уменьшаются. Давление в свободном объеме реактора становится выше, чем давление в межэлектродном пространстве, и при подъеме потока очищаемой воды вверх разница в давлении увеличивается. Вследствие этого на разных по высоте уровнях и с разной скоростью происходит втягивание из свободной зоны реактора потоков воды, опускающихся к дну реактора. Поэтому движения обрабатываемой воды в реакторе осуществляется отдельными цикличными потоками, отличающимися глубиной и скоростью обращения, чем выше уровень воды, поступающей через боковые зазоры в межэлектродное пространство, тем больше скорость потока. Такое турбулентное движение потоков схематично представлено на фиг.3. В результате поступление обрабатываемой воды в межэлектродную зону через нижние зазоры замедляется, скорость и качество ее очистки снижается. Происходит недоочистка воды, движущейся по самому большому круговому потоку через нижние зазоры пакета электродов, и солевое обеднение воды малых верхних круговых потоков, то есть очистка воды происходит неравномерно и процесс коагуляции является более длительным. Фотография растворимого анода устройства-прототипа со следами боковых потоков очищаемой воды, образовавшихся в результате осаждения на аноде солей жесткости при обработке 200 литров питьевой воды за 40 циклов работы устройства, наглядно демонстрирует турбулентность потоков, возникающих в реакторе устройства-прототипа (фиг.4).
В предложенном устройстве межэлектродные прокладки перекрывают доступ воды в межэлектродное пространство через боковые зазоры пакета электродов, поэтому вода поступает на электрокоагуляцию только через нижние зазоры пакета электродов и поднимается вверх ламинарным потоком с большей скоростью, процесс коагуляции проходит быстрее и требуется меньше времени на эффективную очистку всего объема обрабатываемой воды. На фотографии растворимого анода предлагаемого устройства, сделанной после обработки 200 литров питьевой воды за 40 циклов работы устройства, не выявлено следов боковых турбулентных потоков воды, образовавшихся в результате осаждения на аноде солей жесткости, что подтверждает абсолютную ламинарность поступающих потоков воды.
3
В устройстве-прототипе за счет использования пакета электродов с нерастворимым анодом несколько ускоряется процесс электрофлотации в пассивном режиме работы устройства (без генерации молекул Al(ОН)), однако требуется значительное время для осуществления активной коагуляции, что снижает скорость всего процесса электрохимической очистки воды. В техническом решении, представленном в патенте-аналоге RU 2361820, длительность процесса электролиза составляет 8÷10 минут, процесса флотации - 10 минут. В предложении - электролиз (активный режим) длится 4÷5 минуты, а флотация (пассивный режим) 6÷8 минут.
В данном устройстве в реакторе отсутствует дополнительный пакет нерастворимых электродов, что исключает возможность сильного изменения кислотности обработанной воды, возникающего за счет переизбытка электролитического водорода. После обработки воды водородный показатель (рН) изменяется с 6,00 на 6,25. При использовании устройства, предложенного в прототипе, водородный показатель (рН) возрастает с 6,0 до 7,1. Дополнительное повышение рН воды, например, изначально обладающей повышенной кислотностью, может привести к несоответствию требованиям, предъявляемым к питьевой воде.
При работе устройства происходит равномерная электрохимическая очистка воды по всему объему реактора, что исключает наличие зон недостаточной очистки и зон изменения минерального состава. Устройство позволяет сохранить минеральный состав воды, характерный для данного региона, а также все жизненно важные микроэлементы.
Предложенное техническое решение эффективно и соответствует цели изобретения.