УСТАНОВКА ДЛЯ УМЯГЧЕНИЯ ВОДЫ ОБРАТНЫМ ОСМОСОМ
INSTALLATION FOR WATER SOFTENING BY REVERSE OSMOSIS

Изобретение относится к установке для очистки воды по принципу обратного осмоса. Установки такого типа, установки обратного осмоса или RO установки, используются, прежде всего, вместе с установками для гемодиализа для того, чтобы получать из водопроводной воды высокочистую, стерильную воду для приготовления диализирующей жидкости.
Установки для очистки воды методом обратного осмоса описаны в патентной литературе, например:
В SU 1510858 описывается изобретение для опреснения воды методом обратного осмоса, включающее мембранный аппарат, дроссельное устройство на линии концентрата, поршневой насос и привод. Данное изобретение позволяет повысить надежность работы обратноосмотических опреснительных установок, приводимых в действие преобразователем возобновляемого источника энергии.
В RU 89097 раскрыта установка для получения обессоленной воды по принципу обратного осмоса, включающий в себя контур рециркуляции концентрата на входе фильтра обратного осмоса, при этом он включает по меньшей мере одну камеру очистки концентрата и средство для умягчения воды.
В публикации RU 2199377 описано устройство для выработки высокоочищенной воды путем мембранного разделения, содержащее первичный контур рециркуляции концентрата, в котором находится по меньшей мере одна камера очистки (устройство деионизирования), при этом поток жидкости является регулируемым с помощью клапана, а контур рециркуляции снабжен сливным клапаном.
Дезинфицирующее действие полученных электролизом кислородных радикалов, а также стабилизация кристаллов соединений кальция и магния в жидкости после отключения камеры очистки сохраняются лишь временно, поэтому существует потребность в создании установки, позволяющей увеличить эффективности очистки и снизить энергозатраты при эксплуатации установки.
Задача по увеличению эффективности очистки и снижению энергозатрат решена посредством признаков отличительной части независимого пункта формулы изобретения. Другие признаки и варианты выполнения изобретения следуют из зависимых пунктов и приведенного ниже описания примеров выполнения вместе с рисунками.
При этом показаны на:
Фиг.1 - схема типичной установки обратного осмоса согласно уровню техники,
Фиг.2 - схема сопоставимой установки обратного осмоса с признаками выполнения согласно изобретению,
Фиг.3-4 - схема относящихся к установке устройств.
Принцип действия установок обратного осмоса заключается, как известно, в том, что подлежащая очистке вода в фильтрующем модуле пропускается под высоким давлением вдоль поверхности полупроницаемой мембраны, при этом часть воды, так называемый пермеат, проходит через мембрану и собирается на другой стороне мембраны и подводится к месту использования. Не прошедшая через мембрану обогащенная задерживаемыми веществами исходная вода, так называемый концентрат, вытекает в конце пути протекания в первичной камере из мембранного модуля.
Показанная на фигуре 1 схема наглядно представляет типичный пример взаимодействия существенных функциональных элементов установки обратного осмоса согласно уровню техники. Подлежащая очистке вода поступает из подводящего трубопровода 1 и через вентиль 4 в буферную емкость, представляющую собой емкость для сбора начальной фракции 5 со встроенным регулятором уровня. Из этой емкости 5 вода по всасывающему трубопроводу 17 через насос 6 попадает в фильтр 7 обратного осмоса, первичная камера 9 которого отделена от вторичной камеры 8 полупроницаемой мембраной 10. Из вторичной камеры 8 пермеат поступает в кольцевой трубопровод, состоящий из подводящего трубопровода пермеата 15 и отводящего трубопровода пермеата 16, от которого ответвляются трубопроводы 13 для подключения потребителей. Избыточно выработанный пермеат в конце кольцевого трубопровода через встроенный редукционный клапан может возвращаться в емкость 5, при этом настройка этого клапана определяет существующее в кольцевой трубопроводе 15/16 давление.
Необходимое для фильтрации давление в первичной камере 9 фильтра обратного осмоса создается с помощью насоса 6 вместе со встроенным в трубопровод 18 концентрата в направлении потока от фильтра гидравлическим сопротивлением 11, например в виде дроссельного или напорного клапана.
Для работы фильтра 7 обратного осмоса большое значение имеет разность концентраций удерживаемых веществ между входом и выходом первичной камеры 9. При высоких концентрациях, прежде всего, кальция и магния существует повышенная опасность того, что их содержание превысит критический предел. В этом случае вследствие образования отложений проницаемость мембраны 10 и, тем самым, поток пермеата снижается, что соответствует преждевременному выходу из строя фильтра обратного осмоса.
В связи с этой ситуацией до сих пор с учетом качества исходной воды, прежде всего, соли кальция и магния заменяли на соли натрия с помощью предварительно подключенных катионообменных колонн 2. Ионообменники нуждаются в большом объеме работ по техническому обслуживанию и являются дорогостоящими.
Для надежной работы катионообменника необходимы хлорид натрия и промывная вода. Кроме этого, следует регулярно вручную добавлять соль. Вдобавок содержащая соль промывная вода загрязняет сточные воды.
Установки обратного осмоса используются, прежде всего, также и для получения стерильной воды.
Не прошедшая через мембрану 10, обогащенная содержащимися в воде химическими веществами и бактериями часть подводимой водопроводной воды образует на внутренних поверхностях проводящей жидкость системы биологическую пленку. Осаждения биологической пленки могут проходить через не идеальную мембрану 10 как пирогены и эндотоксины и загрязнять высокочистый цикл 15/16 протекания пермеата.
Поэтому необходимо через регулярные промежутки времени проводить тепловую или химическую дезинфекцию установок обратного осмоса.
Для этого процесс прерывается и к установке подводятся тепловая энергия или химические дезинфицирующие средства.
Из-за повышенной опасности, связанной, прежде всего, с химической дезинфекцией, все рабочие операции при этом должны выполняться вручную. Это обычно означает повышенные трудозатраты.
Задачей изобретения также является снижение эксплуатационных затрат благодаря тому, что, с одной стороны, содержащиеся в воде химические вещества, прежде всего катионы, не заменяются с помощью ионообменников на хлориды, а с другой стороны, сокращается или исключается химическая или тепловая дезинфекция, прежде всего, со стороны первичной камеры обратного осмоса.
Эта задача согласно изобретению эффективно решена тем, что протекающую в первичном контуре 5/17/9/18 или в расширенном первичной контуре 1/4/5/17/9/18 жидкость, предпочтительно смешанные воды или подводимую водопроводную воду, подвергают воздействию электромагнитного или электрического поля, или силам диссоциации при электролизе, или кавитационным силам ультразвука, или комбинации этих воздействий.
При этом микроорганизмы или окисляются или их размножение под действием электрических импульсов тормозится или уменьшается.
Молекулы воды являются ярко выраженными диполями. Вследствие этого между молекулами воды существуют силы притяжения, которые приводят к образованию водородной связи и, тем самым, больших скоплений молекул воды. Кроме того, некоторые физические теории основываются также на дипольном моменте электрона.
Формально физический эффект защиты от выделения известковых отложений заключается в стабилизации растворенных в воде соединений кальция и магния таким образом, что, с одной стороны, не образуются крупные взаимно связанные скопления, на границах которых вследствие высокой концентрационной поляризации может происходить выделение известковых отложений, а с другой стороны, на электронные диполи кристаллов (солей) оказывается такое воздействие, что образуются так называемые затравочные кристаллы, к которым прикрепляются молекулы воды и другие кристаллы.
При этом обычно крупные скопления молекул воды с их дипольным электрическим зарядом разрушаются и выстраиваются таким образом, что, предпочтительно, образуются самые мелкие скопления молекул воды.
Как показано на фигуре 2, согласно изобретению предусматривается камера 21 очистки в первичном циркуляционном контуре установки обратного осмоса, конструкция которой допускает или предусматривается электрическое, или магнитное, или электромагнитное, или электролитическое, или звуковое воздействие, или комбинацию различных физических воздействий на протекающую жидкость.
Использование и место установки камеры 21 очистки, однако, не ограничиваются вышеописанной функцией.
Прежде всего, бактерицидное действие кислородных радикалов в электролитической ячейке делает ненужным химическую или тепловую дезинфекцию. При этом не должен вырабатываться свободный хлор, так как токсичный хлор проходит через мембрану и поверхность мембраны 10 повреждается.
Находящиеся в жидкости микроорганизмы при прохождении через электролитическую ячейку окисляются и, тем самым, ослабляются или уничтожаются.
Оказалось, что уменьшение числа микроорганизмов происходит и тогда, когда они подвергаются воздействию электрических импульсов или электромагнитных полей.
Систематические исследования предотвращения образования известковых отложений под действием ультразвука или звукохимических процессов окисления до сих пор отсутствуют.
Однако после испытаний оказалось, что происходит как стабилизация соединений кальция и магния в воде, так и уменьшения числа микроорганизмов.
Ультразвук распространяется в жидкости в форме продольных волн, за которыми со сдвигом по фазе следует волна давления. За счет смены фаз сжатия и расширения возникают повышенное и пониженное давления. В фазе сжатия на молекулы жидкости действует положительное давление. В фазе расширения действует отрицательное давление, то есть молекулы растягиваются.
Для химического действия ультразвука важны процессы, которые протекают во время сжатия. При этом существуют экстремальные условия, которые делают возможными химические реакции, не имеющее место при обычных условиях. Процессы, которые протекают при сжатии, не полностью понятны, однако при использовании в процессе обратного осмоса дают требуемый эффект.
Кроме того, большое преимущество заключается в дегазации жидкости под действием звука, прежде всего в удалении не растворенной углекислоты, так как она проходит через мембрану и способствует более легкому прохождению пермеата.
В случае комбинации ультразвука и электролиза полезным является удаление известковых отложений на катоде под действием ультразвука.
Поскольку дезинфицирующее действие полученных электролизом кислородных радикалов, а также стабилизация кристаллов соединений кальция и магния в жидкости после отключения камеры очистки сохраняются лишь временно, то предпочтительно периодически и/или в конце рабочего цикла открывают клапан 20, который может представлять собой дроссель высокого давления с помощью двигателя или, если встроено фиксированное гидравлическое сопротивление, с помощью перепускного клапана со сливным краном. Вследствие этого поток в первичном циркуляционном контуре резко возрастает и поверхности направляющих поток жидкости деталей затопляются и промываются по типу подтопления, т.е. наплывом жидкости.
При этом продленное действие кислородных радикалов удобно определять путем измерения 23 окислительно-восстановительного потенциала.
Поскольку влияние камеры 21 очистки посредством ее физического эффекта или ее эффектов на образование кристаллов пользователем непосредственно наблюдаться не может, то с большой пользой для первичной камеры предусмотрено устройство 28 индикации образования известковых отложений.
При этом детали или трубопроводы для протекания жидкости могут быть выполнены из прозрачных или просвечивающих материалов для того, чтобы визуально контролировать выделение известковых отложений. Однако в этом случае невозможны никакие количественные заключения о толщине осадка.
Другими датчиками или детекторами выделения известковых отложений или загрязнений, а также микробиологических загрязнений являются электрооптические устройства типа «передатчик-приемник».
В случае одного предпочтительного варианта выполнения устройство «передатчик-приемник» расположено в одной плоскости. При этом оптический сигнал передатчика проецируется на расположенную напротив зеркальную поверхность и оттуда отражается к оптическому приемнику.
Предпочтительным решением является прозрачный отрезок трубы с расположенными друг напротив друга передатчиком и приемником. Количественная величина сигнала приемника при этом является прямой функцией степени загрязнения.
В случае подвергаемых горячей очистке установок известного объема загрязнение на поверхности нагрева может быть использовано таким образом: в случае загрязненной поверхности нагрева переход тепла или энергии в жидкость происходит в течение более длительного времени, при этом переход энергии используется как мера степени загрязнения.
Предпочтительно, в случае выдачи датчиком 28 известковых отложений запроса на очистку через водоструйный насос 29 и трубу 19 для подключения к канистре при работающем насосе 6 всасывается лимонная кислота или другая кислота и с помощью нагревателя 24 нагревается до умеренной температуры для того, чтобы уничтожить оставшиеся бактерии и удалить кристаллы.
Предпочтительно, процесс очистки поддерживается и остаточные кристаллы растворяются, если при этом встроенная в отводящий трубопровод 16 пермеата емкость 35 с хранящимся холодным или подогретым с помощью нагревателя 37 пермеатом посредством нагревательного насоса 34 используется для замены жидкости со стороны первичной камеры установки обратного осмоса. При этом пермеат подается к буферной емкости и распределяется насосом 6 до тех пор, пока вся жидкость в первичном объеме установки обратного осмоса не будет заменена и поверхность мембраны 10 отмыта от осадков. Вместо емкости 35 и насоса 34 может быть использована расширяющаяся накопительная емкость посредством эластичной мембраны или предварительно напряженного сильфона.
С большим преимуществом для улучшения воздействия во времени и усиления физических эффектов между выходом 42 концентрата и входом 39 смешанной воды может быть установлен дополнительный циркуляционный насос 30 с камерой 21 а очистки. При этом речь может идти о дополнительной камере очистки с другим физическим эффектом, чем у камеры 21 очистки.
При этом обеспечивается протекание жидкости через первичную камеру с точки зрения оптимального смывания мембраны 10 и при этом в значительной степени независимо от работы предназначенного для подвода смешанной воды, создания давления и циркуляции насоса 6.
Другое существенное преимущество заключается в том, что с помощью показанного на фигуре 2 размещения оборудования достигается значительная дополнительная экономия энергии. Поскольку насос 6 перекачивает лишь объемы пермеата и сточной воды и не расходует мощность на обеспечение циркуляции, его общая потребляемая мощность может быть снижена примерно на одну треть.
Для контроля за надежной работой насоса предпочтительно используется магнитное реле потока с обратными клапанами 31/32.
Другой отличительный признак изобретения, обеспечивающий удаление остатков веществ, заключается в том, что жидкость первичного контура пропускается посредством ввода по касательной через центробежную камеру 25, в верхней части которой вращающаяся под давлением жидкости турбинная лопатка направляет подлежащие отделению твердые частицы вниз, а очищенная жидкость направляется вверх через полый вал или сетчатый цилиндр.
Под центробежной камерой 25 находится сборная камера для осажденных твердых частиц или скопления соединений кальция и магния. При наличии центробежной камеры на сборной камере может быть установлен сливной клапан 26.
Другими вариантами выполнения центробежной камеры 25 являются такие конструкции, как направленные вниз спиралеобразные каналы для протекания жидкости.
В другом предпочтительном варианте выполнения центробежная камера 25 без турбинной лопатки объединена с камерой 21 очистки в один узел.
Однако расположение показанных на фигуре 2 составных частей не ограничивается указанными местами, а используется лишь для того, чтобы дать общее представление.
С большим преимуществом также предлагается выходные ступени систем питания для управления камерой очистки сделать регулируемыми в отношении частоты и тока и управлять ими и контролировать неисправности с помощью процессора установки обратного осмоса. При этом в качестве испытательного сигнала может выдаваться комбинация двоичного кода и контролироваться с помощью схемы безопасности, при этом соответствующие условия работы и характеристики сигналов выводятся на устройство индикации установки обратного осмоса и сохраняются в модулях памяти.
Через интерфейс, например порт «Ethernet» микроконтроллера установки обратного осмоса, данные могут быть считаны в любое время.
Контроллером и несколькими выходными ступенями камерами очистки могут быть оснащены все важные участки, например подводящий трубопровод 1 или отрезки трубопроводов 17 и/или 15/16 установки обратного осмоса или ее система распределения.
При этом могут быть последовательно или параллельно подключены несколько камер очистки с одинаковыми или разными физическими эффектами.
В зависимости от качества подводимой водопроводной воды за счет умелого расположения компонентов или оснащения камеры очистки может быть осуществлено одновременное удаление известковых отложений и дезинфекция.
На фигуре 3 показано устройство камеры 21 очистки с тремя электродами, при этом средний электрод 43 пространственно и электрически изолирован от обоих электродов. При этом жидкость может подаваться в ячейку с двух сторон по каналу 55. Благодаря большому распределению поверхностей внешнего электродадостигается однородное распределение потенциала в пространстве внутреннего электрода. Изолятор 41 служит как место крепления внутреннего электрода 43. Чашеобразные внешние электроды 40 оснащены различными соединителями, например, зажимным соединителем 57, вставным ниппелем или наконечником для подключения шланга 50.
Внутренний электрод 43 установлен как кольцеобразное электродное тело в изоляторе 41.
В зависимости от области применения внешние электроды изготавливаются из высококачественной стали, титана, смешанного оксида титана или спеченного угля.
Внутренний электрод 43 состоит из устойчивого к окислению материала, например электропроводящего углерода, смешанного оксида титана, керамической смеси из оксидов металлов, оксида титана или кобальта.
Путем выбора материала ячейку можно использовать как электролитическую ячейку или как электромагнитную ячейку или использовать как ячейку в емкостном режиме с электродными контактами для тока и напряжения. Предпочтительно, один полюс системы электропитания подключается к соединенным перемычкой внешним электродам 40, а другой полюс - к внутреннему электроду.
У электролитической ячейки при этом внутренний электрод 43 является анодом, а внешние электроды 40 - катодом.
На фигуре 3А показан изолятор 41 со встроенным внутренним электродом 43b и его токоподвод 45. Камера внутреннего электрода 43b при этом заполнена так, что достигается большая поверхность, чтобы увеличить продолжительность пребывания жидкости. Предпочтительно, этот электрод заполняется спеченным углем или другим углеродсодержащим материалом для того, чтобы осуществлять анодное умягчение воды или получение затравочных кристаллов.
На фигуре 3Б показан состоящий из двух частей изолятор 41 с резьбовым соединением. Изоляторы 41 с внутренними электродами могут быть размещены последовательно произвольным образом и вмонтированы во внешние электроды 40 так, что получатся ячейки с четырьмя и более электродами. При этом оба внешних электрода 40 могут быть электрически соединены друг с другом и с различными внутренними электродами 43а и 43b таким образом, что внутренние электроды 43а/43b будут иметь разные потенциалы.
При этом материал внутреннего электрода состоит из оксидов металлов, а материал внутреннего электрода 43b из спеченного угля. Таким образом, с помощью этой ячейки посредством внутреннего электрода 43а может быть достигнуто анодное окисление кислородными радикалами, а посредством дополнительного внутреннего электрода 43b анодная стабилизации соединений кальция и магния.
На фигуре 4 показано устройство комбинированной камеры очистки с тремя электродами и электрической обмоткой 51. При этом удаление известковых отложений происходит по силовым линиям возбуждаемого электрической обмоткой магнитного поля в жидкости. Возможно использование помещенного во фторопластовую капсулу постоянного кольцевого магнита в жидкости или кольцевого магнита снаружи изолятора 41 взамен электрической обмотки 51.
Оба внешних электрода 40 являются катодами, а внутренний электрод 43 анодом электролитической ячейки для получения кислородных радикалов для инактивации микроорганизмов.
Ультразвуковые вводы 52 используются для установки пьезокерамических ультразвуковых излучателей. Ввод звука в жидкость происходит в этом случае предпочтительно через титан или оксид титана внешних электродов 40.
В зависимости от используемых материалов и управления эта ячейка может быть использована как электромагнитная ячейка для удаления известковых отложений в комбинации с электролитической ячейкой или звуковой ячейкой через вводы 52 или как емкостная перфорационная ячейка через контакты электродов 40 и 43 для инактивации микроорганизмов. При работе в качестве перфорационной ячейки внешние электроды 40 электрический соединены друг с другом и образуют с внутренним электродом 43 обкладки конденсатора.
Управляемые электроникой установки обратного осмоса выходные каскады питают электроды ячейки импульсами высокой частоты или сигналами, имеющими соответствующие жидкости частоту, вид импульса и форму. В этой ячейке возможна комбинация электромагнитных, электролитических и звуковых эффектов.
На фигуре 4А показана возможность соединения двух камер 21 очистки с помощью зажима 53. Гидравлическое уплотнение осуществляется посредством заложенного в канавке 48 уплотнения 58, выполненного в виде уплотнительного кольца. В этом случае подвод электрического тока к внешним электродам может происходить через зажим 53. Комбинирование ячеек очистки делает возможным использование во всем диапазоне воздействия на жидкость всех названных выше физических эффектов. При этом камеры 21 очистки могут быть установлены в различных местах установки обратного осмоса и использоваться с различными эффектами. Зажимы служат одновременно для механического закрепления ячеек 21 очистки в установке обратного осмоса.
На фигуре 4Б показана конструкция вертикальной камеры 21 очистки в сочетании с центробежной камерой 25. При этом жидкость поступает по касательной в изолятор 41 через боковое подключение 56 в виде патрубка и через кольцевой зазор 60 подается в направлении вставного ниппельного соединителя 49. Вставной ниппельный соединитель является сборником для осадка и одновременно патрубком для подключения сливного крана.
Освобожденная от осадков жидкость через внутреннее пространство 59 трубчатого внутреннего электрода 43 с (анода) выводится дальше через патрубок. При этом оба внешних электрода 40 соединены друг с другом и образуют совместно с трубчатым внутренним электродом 43 с электролитическую или перфорационную или электромагнитную ячейку очистки. Предпочтительно, этот вид камеры очистки встраивается в подводящий трубопровод 1.
Можно также установить во внутреннем пространстве камеры очистки диафрагму, которая селективно и без остатка задерживает содержащиеся в воде токсические вещества. Конструкция и место установки, однако, не ограничиваются описанными функциями и устройствами.
Особый вариант ячейки очистки (на показан) основан на том, что внешние и внутренние электроды разделены пористой перегородкой диафрагмы. При этом диафрагма, например из ионообменной смолы, является проницаемой только для определенных ионов и создает предпосылки для того, чтобы, например, ядовитые вещества оставались в анодном пространстве и не проходили через мембрану.
Еще одним особым вариантом является конструкция ячейки очистки с катализатором для устранения или разрушения образовавшихся при окислении органических фракций или водорода.
Перечень ссылочных обозначений
1
Подводящий трубопровод с фильтром
2
Катионообменник
3
Фильтр тонкой очистки
4
Вентиль
5
Емкость для сбора начальной фракции
6
Насос
7
Фильтр обратного осмоса
8
Вторичная камера
9
Первичная камера
10
Мембрана
11
Гидравлическое сопротивление
12
Вентиль
13
Трубопроводы для подключения потребителей
14
Редукционный клапан
15
Подводящий трубопровод пермеата
16
Отводящий трубопровод пермеата
17
Всасывающий трубопровод
18
Трубопровод для концентрата
19
Труба для подключения к канистре
20
Гидравлическое сопротивление с приводом от двигателя или перепускной клапан
21
Камера очистки
22
Ультразвуковой датчик
23
Измеритель окислительно-восстановительного потенциала
24
Нагреватель
25
Центробежная камера
26
Сливной клапан
27
Слив
28
Датчик образования известковых отложений
29
Насос
30
Циркуляционный насос
31
Обратный клапан
32
Обратный клапан
33
Геркон
34
Нагревательный насос
35
Емкость с холодным или подогретым пермеатом
36
Кран емкости
37
Нагреватель
38
Кран емкости
39
Вход смешанной воды
40
Катодный вывод (подвод тока)
41
Изолятор
42
Выход концентрата
43
Анодный вывод (средний электрод)
45
Подвод тока к аноду (средний электрод)
46
Изолятор, деталь 1
47
Изолятор, деталь 2
48
Канавка для уплотнительного кольца
49
Вставной ниппельный соединитель
50
Наконечник для подключения шланга
51
Электрическая обмотка
52
Ультразвуковые вводы
53
Зажимное соединение
55
Канал для протекания жидкости
56
Боковое подключение
57
Зажимное подключение
58
Уплотнение
59
Внутреннее пространство
60
Кольцевой зазор