СПОСОБ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ
METHOD FOR HYDRODYNAMIC WATER PURIFICATION AND DEVICE FOR HYDRODYNAMIC WATER PURIFICATION

Изобретение относится к способам очистки воды от различных загрязнений, в том числе и питьевой воды, и может быть использовано в частных домах, поселках, городах, в промышленных установках, для подготовки воды в системах хозяйственно-питьевого и промышленного назначения.
2
2
3
Из уровня техники известны: «Способ очистки и обеззараживания водных сред», включающий: кавитационную обработку среды посредством струйной кавитации с эжектированием в кавитатор воздуха или кислород-воздушной смеси, последующую обработку среды посредством гидродинамического реактора с вращающимся магнитным полем и ферромагнитными иглами, и отстаивание обработанной среды с отделением шлама, и «Технологическая линия для обеззараживания и очистки водных сред», содержащая последовательно установленные: струйный кавитатор, снабженный средствами эжектирования в него воздуха или кислород-воздушной смеси, гидродинамический реактор с вращающимся магнитным полем и ферромагнитными иглами и блок отстаивания среды, совмещенный с системой удаления шлама (см. патент на изобретение RU №2585635, C02F 9/12, оп. в 2016 г.). Известные способ и технологическая линия промышленного назначения для многоступенчатой очистки различных вод имеют сложную конструкцию с большой энергоемкостью. Каждый ферромагнитный элемент гидродинамического реактора технологической линии является своеобразной мешалкой-дробилкой, взаимодействующий с обрабатываемой водой. В рабочей зоне гидродинамического реактора образуется высокодисперсная гетерогенная система (газ-жидкость-твердое), которая с огромной скоростью вступает в реакцию с радикалами ОН, НО, О и даже с атомарным кислородом. Ускорение скорости химических реакций обуславливается многократным увеличением поверхности соприкосновения фаз на границах системы. Ускоренный износ ферромагнитных элементов обусловлен не только большими скоростями вращения, но и наличием достаточно агрессивной среды.
Известно устройство для обработки водной среды в потоке, содержащее реакционную камеру с подводящим патрубком и отводящим патрубком и элемент первой ступени сопла, установленный на входе в реакционную камеру, обеспечивающий падение давления на входе в реакционную камеру, а также диффузор, размещенный на выходе из реакционной камеры для торможения потока, при этом реакционная камера выполнена из диэлектрического материала и формируется последовательно установленными в ней по ходу потока кольцевыми электродами, разнесенными по длине камеры для создания в полости реакционной камеры продольного плазменного разряда, и способ обработки водной среды в потоке, включающий направление потока под давлением в элемент первой ступени сопла с дальнейшим истечением потока в реакционную камеру для обработки водной среды с образованием двухфазного газожидкостного потока и последующим торможением и конденсацией двухфазного потока на выходе из реакционной камеры, причем в реакционной камере создают продольный плазменный разряд, который инициирует УФ-излучение и синтез озона из кислорода, выделившегося из водной фазы при образовании двухфазного газожидкостного потока, а при торможении потока схлопыванием пузырьков газа создают ультразвуковое поле и локальный перегрев потока водной среды (см. патент на изобретение RU №2637026, C02F 1/46, оп. в 2017 г.). Это техническое решение позволяет очищать воду различного происхождения и относится к высокопроизводительным методам единовременной комплексной обработки воды в потоке водной среды без применения химических реагентов. Известное устройство предусматривает формирование двухфазного сверхзвукового потока, через который пропускают продольный плазменный разряд в реакционной камере. Недостатком устройства являются взрывоопасность реакционной камеры и большая энергоемкость процессов.
5
2
5
2
Известны: «Способ обработки воды и водных растворов», включающий корректировку рН многократным поочередным снижением давления высоконапорной воды или водного раствора при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается, и фильтрацию, причем обрабатываемая вода или водный раствор поступает от подающего насоса через фильтр в кавитационный реактор, в котором последовательно располагаются не менее двух кавитаторов различного принципа работы, разделенных промежуточными камерами, позволяющими вводить требуемые ингредиенты, катализаторы, поверхностно-активные вещества и проводить дополнительную активацию за счет воздействия импульсными высоковольтными электрогидравлическими разрядами и ультразвуком с частотой ультразвуковых волн не менее 98 кГц и интенсивностью выше 10 Вт/м и предварительную сепарацию обрабатываемой воды или водного раствора, а окончательную сепарацию обрабатываемая вода или водный раствор проходит в кавитаторе вихревого типа, выполненном в виде циклона, и «Установка для обработки воды и водных растворов», содержащая кавитационный реактор с установленными в нем кавитаторами, промежуточными камерами, соединенными со входом и выходом кавитационного реактора, подающий насос и трубопроводы, при этом кавитационный реактор выполнен в виде емкости с крышкой с установленными внутри не менее чем двумя последовательно соединенными кавитаторами различного принципа работы, разделенными промежуточными камерами, в первую из которых, выполненную цилиндрической формы и установленную горизонтально с осевым размещением на донышке эжектора для подвода дополнительных ингредиентов, введены электроды с возможностью осуществления импульсного высоковольтного электрогидравлического разряда, причем первая промежуточная камера выполнена с возможностью поступления воды или водного раствора от первого кавитатора в первую промежуточную камеру тангенциально и отведения воды или водного раствора через патрубок, установленный по оси донышка, противоположного эжектору, и соединенный со входом во вторую промежуточную камеру с установленным в ней ультразвуковым излучателем, выполненным с возможностью излучения ультразвуковых волн с частотой не менее 98 кГц и интенсивностью выше 10 Вт/м, а кавитатор, подключенный к выходу второй промежуточной камеры, представляет собой кавитатор вихревого типа, установленный вертикально, содержащий входное устройство в виде сопла с суживающейся спиральной улиткой или сопла с тангенциальным подводом жидкости в конфузорный корпус с углом сужения от 0 до 10°, выходное устройство с регулируемым вентилем, соединенное трубопроводом с дренажной трубкой первой промежуточной камеры и выполненное с возможностью подачи воды или водного раствора через самоочищающийся фильтр и запорно-регулирующий клапан на линию всасывания подающего насоса, а выходной патрубок кавитатора вихревого типа, присоединенный к нижнему торцевому донышку по оси корпуса, имеет диаметр, составляющий 0,35-0,40 от среднего диаметра корпуса кавитатора вихревого типа, соединен с трубопроводами и запорно-регулирующими клапанами, выполненными с возможностью осуществлять циркуляцию обрабатываемой воды или водного раствора через подающий насос и кавитационный реактор или через самоочищающийся фильтр, ее прямоточное движение из входной емкости или водоема в приемную емкость потребителя очищенной воды или водного раствора (см. патент на изобретение RU №2600353, C02F 9/08, оп. в 2016 г.). Эти способ и установка, предназначенные для промышленного применения, предусматривают многоступенчатую обработку воды, сложны конструктивно и потребляют большое количество энергии. Внутрь первой промежуточной камеры установки введены электроды для осуществления импульсного высоковольтного электрогидравлического разряда с подачей напряжения от 35 кВ до 50 кВ при частоте импульсов от 0,1 Гц до 20 Гц. Открытые электроды, расположенные в обрабатываемой воде, быстро изнашиваются и небезопасны в эксплуатации.
Известно устройство для очистки воды, которое включает в себя основной корпус, сопло и детали для электрического разряда, каждая из которых содержит высоковольтный электрод и заземляющие электроды. Обрабатываемая вода подается со стороны сопла под постоянным давлением для образования мельчайших кавитационных пузырьков и образования в них разрядной плазмы для разложения обрабатываемых материалов, таких как органические вещества и т.д. Электроразрядная часть состоит из набора электродов, содержащего высоковольтный электрод и заземляющие электроды, расположенные параллельно и на равном расстоянии от высоковольтного электрода. Три комплекта электродов, выступающих от внутренней стенки к центральной части основного корпуса, расположены по окружности. Фаза R, фаза S и фаза T трехфазного высоковольтного источника питания подключены к соответствующим высоковольтным электродам электродов (см. JP 2009190003 (A), C02F 1/34, оп. в 2009 г.). В этом устройстве электроды, расположенные в зоне кавитации, выступают во внутреннюю полость устройства и контактируют с водой. Такая конструкция небезопасна в эксплуатации и приводит к быстрому износу электродов. Похожую конструкцию (и такой же недостаток) имеет устройство по EP 2036864 (A1), кл. C02F 1/32, оп. в 2009 году.
Наиболее близким техническим решением к заявленной группе изобретений являются «Устройство для обработки жидкости», включающее трубку Вентури, состоящую из конфузора, горловины, диффузора, полусферические электроды, расположенные перед трубкой Вентури в области конфузора, генератор импульсов тока, подключенный через формирующий разрядник к полусферическим электродам, отражатель, расположенный перед полусферическими электродами по другую сторону от трубки Вентури, источник магнитного поля, установленный после трубки Вентури, и фильтр, расположенный после источника магнитного поля, а также Способ очистки воды, реализованный в известном устройстве (см. патент на полезную модель RU №124260, C02F 1 /46, оп. в 2013 г.). В данном техническом решении кавитация достигается в основном за счет действия ударного электроимпульса через воду. В нем предусмотрена гальваническая связь с источником импульса, при этом может происходить растворение электродов, возникает опасность поражения электрическим током, токи утечки и т.д. В известном устройстве кавитационные процессы образуются от ударной волны при пробое водяного промежутка на уровне десятков киловольт, это опасно.
Технической проблемой являются опасное расположение электродов в потоке жидкости с высоким напряжением. Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения эффективности и качества очистки воды при работе в безопасных режимах с использованием дополнительного кислорода воздуха для интенсификации процессов окисления.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе гидродинамической очистки воды, включающем электроимпульсную, кавитационную и ультразвуковую обработку подаваемой на очистку воды, электроимпульсную обработку производят путем поочередной генерации противофазных импульсов, подаваемых на группы навивных электродов не менее, чем двух электролитических конденсаторов, включенных в обработку воды последовательно, при этом общим электролитом в них служит вода во входной трубе, причем одновременно на одну группу электродов подают положительно заряженный импульс, а на другую группу электродов в это время подают отрицательно заряженный импульс, и затем меняют импульсы на противоположно заряженные, при этом воду, проходящую через распложенный между группами электродов промежуток трубы, свободный от электродов, одновременно воздействуют положительными и отрицательными импульсами, причем формируемые от этих процессов продольные упругие ультразвуковые импульсы от резонансного вращения диполей воды и встречно возвратного движения ионов при возникновении импульсов тока по фронтам импульсов, усиливают процесс разрушения гидратных оболочек ионов в обе стороны по трубе и инициируют начало процесса перекрестных окислительно-восстановительных реакций между свободными от гидратных оболочек ионами загрязнителей, причем далее воду подают в коноидальную форсунку для образования высокоскоростной струи воды, при этом в камере инжекции создают вакуум для всасывания воздуха в струю воды, а в зоне смешивания диффузора создают условия для образования микропузырьков воздуха, которые вместе со струей воды отделяются от стенок диффузора и при перепаде давления разрушают продольную целостность струи на отдельные фрагменты, сохраняя поперечное сечение струи от касания стенок диффузора, после чего производят искусственно сформированную кавитацию за счет удара скоростных насыщенных воздухом капель воды о мишень, расположенную перпендикулярно потоку воды, при этом происходят множественные перекрестные реакции между освободившимися ионами загрязнений воды, возникает низкотемпературное кипение и дегазация, часть кристаллов коагулируется и захватывается образующимися воздушными пузырьками за счет эффекта флотации, при этом далее воду в свободном падении отводят в канал для подачи на дальнейшую обработку или фильтрацию. При электроимпульсной обработке воды на фронтах импульсов электрического поля переменной частоты в диапазоне звуковых и ультразвуковых колебаний производят замер потребления тока для выделения резонансных частот с максимальным током, а затем осуществляют импульсную генерацию в секундном цикле на выявленных резонансных частотах, на которых отмечен максимальный импульсный ток по фронтам импульсов.
Решение поставленной технической задачи также достигается тем, что в устройстве гидродинамической очистки воды, содержащем средство для электроимпульсной обработки воды на входной трубе, конфузор, переходную горловину и диффузор, средство для электроимпульсной обработки воды выполнено в виде двух последовательно включенных электролитических конденсаторов, состоящих из парной группы навивных электродов, спирально расположенных на внешней стороне входной трубы, при этом между группами навивных электродов расположен участок входной трубы, свободный от электродов, а конфузор выполнен в виде коноидальной форсунки, причем переходная горловина выполнена в виде расширяющейся вакуумной зоны, снабженной соплом для всасывания воздуха, при этом устройство снабжено упругой мишенью, расположенной на пути потока воды на регулируемом расстоянии от диффузора. Упругая мишень выполнена в виде круглой или квадратной рамки с кромками, в которую вклеена на эластичный клей пластина из твердого материала, устойчивого к коррозии и кавитации, который может совершать упругие колебания.
Изобретение поясняется графически. На чертеже схематично изображено устройство гидродинамической очистки воды.
Устройство для гидродинамической очистки воды включает входную трубу 1 с блоком 2 генерации импульсов электрического поля (для электроимпульсной обработки воды), связанным с двумя группами навивных электродов 3 и 4. Электроды 3 и 4 не имеют гальванического контакта с водой и спирально расположены на внешней стороне входной трубы 1, предназначенной для подачи очищаемой воды. Между группами навивных электродов 3 и 4 расположен участок 5 трубы 1, свободный от электродов. Такая конструкция блока 2 для электроимпульсной обработки воды представляет собой два последовательно включенных электролитических конденсатора, где общим электролитом выступает вода в трубе 1. Диэлектриком служит изоляция медных электродов (шин) 3 и 4, поэтому материал трубы 1 не оказывает большого влияния на работу этих конденсаторов. Выходной конец трубы 1 связан с коноидальной форсункой 6, предназначенной для создания высокоскоростной струи потока воды, отделяемого на выходе из конфузора от стенок форсунки 6. В конце форсунки 6 расположена переходная горловина - расширяющаяся вакуумная зона 7 (камера инжекции), связанная с соплом 8, предназначенным для всасывания атмосферного воздуха (либо кислорода, либо других жидкостей или газов) в зону 7. Вакуумная зона 7 связана с диффузором 9, где далее свободно движущаяся струя потока 10 воды, накачанная микропузырьками воздуха, расширяется, ускоряется и трассируется на отдельные капли. На пути потока 10 установлена упругая мишень 11 с расположенным за ним упругим наполнителем, либо ультразвуковым излучателем 12, работающим с частотой 40-100 КГц, и заглушкой 13. Упругая мишень 11 представляет собой круглую или прямоугольную рамку с кромками, в которую вставлена мишень из кавитационно и коррозионно устойчивого материала, закрепленного по периметру и с тыльной стороны пластичным клеем-герметиком, позволяющим мишени 11 совершать механические колебания либо от удара капель струи, либо от кавитационного ультразвукового излучателя 12 с тыльной стороны мишени 11. Над мишенью 11 расположен отводящий патрубок 14 для дегазационной пены, который разделен на два рукава: патрубок 15 для отвода газа при дегазации и патрубок для отвода шламовой воды. Под упругой мишенью 11 расположен канал 16 подачи воды на дальнейшую обработку или фильтрацию.
Способ гидродинамической очистки воды заключается в следующем. Воду подают в трубу 1. Она попадает в зону действия блока 2 для электроимпульсной обработки воды с помощью включенных через воду последовательно двух электролитических конденсаторов, электролитом в которых служит обрабатываемая вода. Обработку воды производят посредством противофазной генерации положительных и отрицательных импульсов электрического поля блоком 2. Причем, в тот момент, когда на электроды 3 подают положительный заряд, в этот момент на электрод 4 подают отрицательный заряд. В зонах действия электродов 3 и 4 происходит перегруппировка заряда и формирование импульса тока, длительность которого зависит от скорости нарастания импульса и площади соприкосновения с трубой 1 навивных электродов 3 и 4. При этом в межэлектродной зоне 5 происходит массовая переориентация нейтральных диполей воды вдоль силовых линий электрического поля. Это приводит к разрушению гидратных оболочек ионов загрязнений и возникновению частичной рекомбинации молекул, к возникновению перекрестных реакций окисления и восстановления. При этом в зоне 5 трубы 1 в моменты импульсов тока возникает встречное движение разнозаряженных ионов, что ускоряет протекание реакций. В результате этих процессов начинается процесс рекомбинации и объемной кристаллизации, возникновение зародышей нерастворимых в воде кристаллов. От этих процессов, происходящих в воде, в трубе 1 при коротком импульсе тока и переориентации диполей молекул воды формируется упругий физический импульс, а далее синфазно с частотой генерации импульсов электрического поля возникают короткие импульсы ультразвуковой и звуковой частоты, которые далее распространяются по трубе 1 на десятки метров. Эти импульсы предотвращают обратное растворение формируемых кристаллов при локальном повышении концентрации растворенного углекислого газа при кристаллизации карбонатов, еще более активируя объемную кристаллизацию. В блоке 2 для электроимпульсной обработки воды, на фронтах импульсов электрического поля переменной частоты в диапазоне звуковых и ультразвуковых волн, производят замер потребления тока для выделения резонансных частот с максимальным током. Затем осуществляют импульсную генерацию в секундном цикле на выявленных резонансных частотах, на которых отмечен максимальный импульсный ток по фронтам импульсов.
Далее в коноидальной форсунке 6 происходит ускорение движения воды до формирования высокоскоростной струи в потоке 10. Коноидальная форма форсунки 6 способствует тому, что сформированная высокоскоростная струя потока 10 воды отсоединяется на выходе от стенок форсунки 6 (представляющей собой конфузор). Поток 10 воды проскакивает переходную вакуумную зону 7, причем его сечение, сформированное в коноидальной форсунке 6, позволяет ему не касаться стенок зоны 7. В зоне 7 создается вакуум. В зону 7 через сопло 8 всасывается воздух или кислород. Струя воды потока 10 захватывает воздух, создавая микропузырьки в потоке 10. Поток 10 незначительно расширяется, не касаясь стенок диффузора 9, происходит его продольная трассировка на отдельные капли. Причем сформированный в коноидальной форсунке 6 высокоскоростной поток 10, попадая в диффузор 9, не теряет свою скорость, незначительно увеличиваясь в диаметре, насыщаясь пузырьками воздуха или кислорода (см. поток 10 в диффузоре 9).
Трассированная струя потока 10 с огромной скоростью ударяется в установленную на его пути упругую мишень 11. Таким образом происходит искусственно сформированная кавитация - схлопывание пузырьков, перемешанных с потоком 10. В этот момент важно, чтобы освободившиеся ионы растворенных солей не покрывались диполями воды. При соприкосновении каждой капли с мишенью 11 создается зона высокого давления. От этой зоны по бокам отлетает тончайший диск, скорость воды в диске примерно в десять раз выше линейной скорости капли и превышает скорость звука в воздухе. В зоне возникновения этого диска по периметру соприкосновения капли с мишенью, возникает кольцевой кавитационный обруч, который на огромной скорости начинает движение к тыльной стороне капли. Капля еще не разрушилась наполовину, а в тыльной стороне происходит соединение кавитационного обруча и взрыв капли. Это приводит к окончательному освобождению ионов загрязнений воды от гидратных оболочек и интенсивным перекрестным реакциям, в том числе окисления, с использованием кислорода воздуха. Возникает низкотемпературное кипение. Происходит активная дегазация воды. Нейтрализуется локальное повышение Рн из-за выделения углекислого газа при образовании карбонатов солей жесткости. Из воды дегазируются растворенные газы. С пеной в отводящий патрубок 14 и в нижний канал 16 уходит много образовавшихся микрокристаллов загрязнителей воды. После удара в мишень 11 частично очищенная вода при свободном падении подается в канал 16 на фильтрацию или дальнейшую очистку. Расстояние до мишени 11 регулируют для достижения оптимального результата.
Использование данного способа позволяет значительно повысить эффективность очистки воды при совершенствовании устройства и повышении его безопасности. При этом из воды возможно получать осадок из загрязнителей в нерастворимых формах и выделять его в сухом виде для утилизации. Уменьшается расход энергии на обработку очищаемых вод и сливной воды, значительно повышается надежность работы и качество очистки. Исключается вторичное загрязнение воды химическими реагентами, ввиду их отсутствия. Устройство отличается простотой исполнения, экономичностью в работе и в обслуживании.
Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием данного изобретения заключается в значительном увеличении надежности функционирования, повышении безопасности и эффективности очистки воды за счет интенсификации гидродинамического воздействия, создания импульсов в ультразвуковом и акустическом диапазоне внутри водопроводных труб под действием импульсного электрического поля, а также создание условий для искусственной кавитации при соударении с жесткой мишенью, при этом экологический результат достигается повышением качества очистки и выделением загрязнителей воды в виде осадка, который может быть легко выделен в виде сухого вещества для утилизации.