СПОСОБ ЭЛЕКТРООПРЕСНЕНИЯ ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF ELECTRIC DESALINATION OF WATER AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к способам опреснения морской воды, а также засоленных подземных вод артезианских источников для бытовых и сельскохозяйственных нужд. В засушливых местах, например в степях России, Казахстана, Китая, Средней Азии, жизненное пространство ограничено оазисами, под которыми имеются пресные подземные воды. Однако таких мест в степях мало, в основном, подземные воды оказываются засоленными. Пресную воду приходится возить за десятки километров для потребления ее людьми и разбавления соленой подземной воды до уровня, делающего ее пригодной для питья домашнему скоту. В средней полосе и на юге России проблема опреснения засоленных подземных вод также актуальна. Большинство скважин дает воду, пригодную для питья людей и скота, однако они дают воду низкого вкусового качества из-за повышенного уровня в ней минеральных солей.
Известен способ опреснения воды путем ее дистилляции [1], однако этот способ энергозатратен и применим только на морских судах, где имеется необходимость охлаждения элементов двигательной установки. По этому способу одновременно происходит утилизация бросовой тепловой энергии и испарение воды. Этот способ непригоден для опреснения засоленных подземных вод скважин, находящихся в труднодоступных местах или пробуренных на личных участках дач, отдельно расположенных ферм, хуторов и поселков.
Снизить энергозатраты удается при опреснении воды электродиализом [2], пропуская через воду электрический ток и разделяя движущуюся воду двумя и более ионоселективными мембранами, обладающими разной пропускной способностью для ионов разного типа. Достоинством способа является снижение энергозатрат в сравнении с обычной дистилляцией примерно в 20 раз, однако этот способ все-таки остается высокоэнергозатратным и требует значительных капитальных затрат. Способ остается непригоден для опреснения засоленных подземных вод скважин, находящихся в труднодоступных местах на личных участках дач и коттеджей, отдельно расположенных ферм, хуторов и поселков.
Капитальные затраты могут быть снижены при использовании способа опреснения морской воды [3], построенного на пропускании воды последовательно через анодную и катодную части электролизера. Конструкция такого электролизера упрощена, он имеет одну ионопроводящую мембрану, которая может быть выполнена из брезента, глины и ряда других широко распространенных материалов. От ионопроводящей мембраны данный способ не требует селективности по отношению к ионам разного типа, что значительно снижает их стоимость.
Основным недостатком способа остается его высокое энергопотребление, обусловленное электролизом воды до кислорода и водорода. При этом эффективность электролиза тем выше, чем выше уровень засоленности воды (проводимость морской воды в 1000 раз выше, чем почти пресной воды с относительно низким содержанием минеральных солей). Способ перестает быть эффективным при обработке слабосоленой (невкусной) воды с содержанием миниральных солей от 0.8 до 3 грамм на литр. Способ остается непригоден для опреснения слабосоленых (невкусных) подземных вод скважин, находящихся в труднодоступных местах на личных участках дач и коттеджей, отдельно расположенных ферм, хуторов и поселков, не имеющих подключения к водопроводу и электросети.
Целью данного изобретения является сокращение затрат электроэнергии на повышение вкусовых качеств воды через ее опреснение. Способ ориентирован преимущественно на обработку засоленной воды, получаемой из скважин, пробуренных в труднодоступных районах степей России и Казахстана для нужд скотоводства. А также способ ориентирован на удовлетворение нужд населения в улучшении вкусовых качеств питьевой воды, получаемой из скважин, пробуренных на личных участках дач и коттеджей, а также отдельно расположенных ферм, хуторов и поселков, не имеющих подключения к водопроводной сети и сети электроснабжения.
Поставленная цель достигается тем, что по предложенному способу в место обычной электролизной камеры, заполненной обрабатываемой водой и разделенной на два объема ионообменной перегородкой, предложено использовать внутренний объем пористого анода и пористого катода ионистора или суперконденсатора [4], для чего предложено пустые объемы обычного анода и катода (выполненных в виде проводящей ленты) заполнить проводящим порошком (например, угольным порошком или порошком инертного металла, например нержавеющей стали, золота, платины). Предложено заполнять обрабатываемой водой внутренние объемы пористого (засыпанного проводящим порошком) катода и пористого (засыпанного проводящим порошком) анода ионистора. Водой заполняются пустоты между гранулами проводящего порошка. Поле этой операции при пропускании тока через анод и катод они ведут себя как электроды ионистора (суперконденсатора) [4] с большим внутренним сопротивлением электродов.
Далее заряжают ионистор до напряжения меньшего, чем напряжение разложения воды на кислород и водород. После того как напряжение на ионисторе достигает близкого к предельному, прекращают зарядку ионистора и сливают опресненную воду из объемов пористого анода и пористого катода ионистора.
В следующем цикле предложенного способа электроопреснения заполняют освобожденные внутренние объемы пористого анода и пористого катода ионистора свежей порцией соленной воды. Далее разряжают заряд, накопленный ионистором на нагрузку внешнего накопителя электроэнергии. Разряд ведут до остаточного напряжения, которое еще может быть эффективно использовано преобразователями внешнего накопителя энергии. При разряде анода и катода ионистора притянутые к их поверхности ионы освобождаются и растворяются в воде, повышая уровень ее засоленности. Далее получившийся в объеме внутренних пор катода и объеме внутренних пор анода рассол сливают.
В следующем цикле предложенного способа электроопреснения вновь заполняют освобожденные объемы внутри пористого анода и пористого катода ионистора свежей порцией опресняемой воды. Вновь повторяют зарядку ионистора, при этом используют электроэнергию, запасенную во внешнем по отношению к ионистору накопителе электроэнергии. Перекачку энергии ведут до момента, когда ток ее в сторону ионистора не уменьшится до малой величины. После разряда внешнего накопителя электроэнергии дозарядку ионистора ведут от источника напряжения, полученного преобразованием другого вида энергии в электрическую.
В сравнении с прототипом (в сравнении с обычной активацией воды на фоне ее электролиза) предложенный способ потребляет меньше электроэнергии. Снижение электроэнергии достигается за счет двух причин: во-первых, исключен электролиз воды (кислород и водород не выделяются при электроопреснения воды); во-вторых, большая часть электроэнергии разряжаемого ионистора накапливается во внешнем накопителе и используется вторично для положительной работы по задержке ионов солей на внутренней поверхности пористых электродов ионистора. Сокращение энергозатрат определяется эффективностью преобразований, осуществляемых внешним накопителем энергии. Если будут использованы электромашинные (электромеханические) преобразователи, то КПД составит порядка 70%. В случае использования электронных преобразователей КПД накопителя может составить до 90%.
Важнейшим преимуществом предложенного способа в сравнении с прототипом является также то, что он остается работоспособен даже при опреснении слабоминерализованных вод с низкими вкусовыми качествами (воду можно пить, но она жесткая - невкусная). При этом затраты электроэнергии при опреснении слабосоленых вод по предложенному способу падают пропорционально их солености, а при обычном электролизе они возрастают из-за повышения внутреннего сопротивления электролизной камеры и нагреве воды в ней. Это позволяет использовать предложенный способ для улучшения вкусовых качеств жестких вод, получаемых из артезианских источников и неглубоких скважин, пробуренных на личных участках дач и коттеджей, отдельно расположенных ферм, хуторов и поселков, не имеющих подключения к водопроводу и электросети.
Предложенный по п.1 формулы изобретения способ может быть осуществлен устройством, описанным в п. 2 формулы изобретения. Предложенное устройство состоит из корпуса, разделенного на две части ионопроницаемой мембраной на анодный и катодный объемы, для осуществления в нем электрообработки опресняемой воды. В каждом из разделенных объемов размещены электроды (анод и катод), которые через преобразователь тока в код и коммутатор соединены с источником, вырабатывающим постоянное напряжение. Корпус устройства имеет входной вентиль подачи опресняемой воды и выходной вентиль слива опресненной воды в дне корпуса.
Предложенное устройство отличается от прототипа и множества аналогов тем, что корпус для осуществления электроопреснения имеет в дне дополнительное сливное отверстие со вторым сливным шлангом, имеющим врезанный вентиль, кроме того, устройство имеет бак для опресненной воды, в дне которого имеется сливное отверстие со сливным шлангом опресненной воды, который имеет в резанный вентиль слива. Второе сливное отверстие бака опресненной воды соединено шлангом с насосом возврата опресненной воды в анодную и катодную области корпуса для осуществления электроопреснения воды.
Основным отличием предложенного устройства является то, что анод и катод устройства выполнены в виде проводящей металлической ленты (например, из нержавеющей стали), хаотически или равномерно заполняющей объемы анода и катода, кроме того, эти объемы дополнительно засыпаны электропроводным порошком с высокой поверхностной площадью (например, угольным порошком или порошком инертного металла), создающим в корпусе осуществления электроопреснения воды ионистор (суперконденсатор). Причем в нижней части в ионопроводящей разделительной мембране (перегородке), разделяющей объемы анода и катода ионистора, выполнено отверстие, обеспечивающее движение воды между анодным и катодным объемами ионистора (обычные ионисторы не имеют в ионопроводящей мембране сквозных отверстий). Корпус ионистора имеет врезанный в его верхнюю часть датчик контроля уровня заполнения водой и датчик контроля уровня опустошения корпуса от воды, врезанный в его нижнюю часть. Параллельно аноду и катоду подключен преобразователь напряжения в код, к коммутатору подключен своими входами и своими выходами накопитель электроэнергии.
Управляющие входы вентилей слива и насоса подключены к выходам устройства управления, выходы преобразователей тока и напряжения подключены ко входам устройства управления, выходы датчиков контроля уровня воды в полости корпуса ионистора подключены ко входам устройства управления.
Предложенное устройство для реализации способа отображено в виде блок-схемы начертеже. Устройство состоит из корпуса ионистора - 1, вентилей включения и выключения воды - 5, 6, 9, 19, насоса - 7, бака опресненной воды - 8, датчика контроля высокого уровня воды - 10 в ионисторе и датчика контроля низкого уровня воды - 11, пористого катода - 2 (выполненного из угольного порошка и металлической ленты), пористого анода - 3 (выполненного из угольного порошка и металлической ленты), ионопроводящей мембраны - 4 (выполненной, например из глины), преобразователя тока - 12, преобразователя напряжения - 13, коммутатора - 14, источника напряжения - 15, накопителя электроэнергии - 16, устройства управления - 17, сквозного отверстия - 18, обеспечивающего сообщение между объемами воды в анодной и катодной части корпуса - 1 ионистора.
В предложенном устройстве корпус - 1 разделен на два объема (объем катода и объем анода) перегородкой - 4 из ионопроводящего материала (брезента, сырой глины, древесины и т.п.). В нижней части перегородки имеется отвестие - 18, обеспечивающее связь объемов воды анодной и катодной частей корпуса - 1.
Катодный объем корпуса - 1 имеет катод - 2, выполненный из металлической ленты (например, из нержавеющей стали), металлическая лента упорядочение или хаотически заполняет катодный объем корпуса - 1, кроме металлической ленты катодный объем засыпан проводящим порошком с большой поверхностной площадью (например, угольным порошком). Угольный порошок с металлической лентой и выводом от нее образуют пористый катод - 2. Площадь поверхности внутренних объемов пор в аноде и катоде ионистора зависит от размеров гранул проводящего порошка. Она может быть оценена расчетами и измерена практически как площадь поверхности плоского конденсатора с расстояниями между обкладками, равными среднему радиусу гранул проводящего порошка.
Анодный объем корпуса - 1 имеет анод - 3, выполненный из металлической ленты (например, из нержавеющей стали), металлическая лента хаотически или упорядочение заполняет анодный объем корпуса - 1, кроме металлической ленты анодный объем засыпан проводящим порошком с большой поверхностной площадью (например, угольным порошком). Угольный порошок с металлической лентой и выводом от нее образуют пористый анод - 3.
Над корпусом - 1 расположен шланг водоподвода с врезанным в него вентилем - 9, управляющий вход вентиля - 9 подключен к выходу устройства управления - 17.
В верхней части корпуса - 1 расположен датчик контроля высокого уровня воды - 10, в нижней части корпуса - 1 расположен датчик контроля низкого уровня воды - 11. Выходы датчика - 10 и датчика - 11 подключены ко входам устройства управления - 17.
В дне корпуса - 1 имеется сливное отверстие, к которому подключен сливной шланг рассола с врезанным в него вентилем - 5, управляющий вход вентиля - 5 подключен к выходу устройства управления - 17. В дне корпуса - 1 имеется второе сливное отверстие, к которому подключен сливной шланг опресненной воды с врезанным в него вентилем - 6, управляющий вход вентиля - 6 подключен к выходу устройства управления - 17.
Свободный конец сливного шланга опресненной воды находится над баком - 8 для хранения опресненной воды. В дне бака - 8 имеется сливное отверстие со сливным шлангом и врезанным в него вентилем - 19. В нижней части бака - 8 имеется отверстие, куда подключен шланг возврата опресненной воды в анодную и катодную емкости корпуса - 1 ионистора, этот шланг возврата имеет врезанный в него насос - 7, управляющий вход насоса - 7 соединен с выходом устройства управления.
Электроды (катод - 2 и анод - 3) подключены последовательно через входы преобразователя тока - 12 в код к клеммам коммутатора - 14. Выход преобразователя тока - 12 в код подключен ко входу устройства управления - 17. Параллельно электродам ионистора (катоду - 2 и аноду - 3) подключен преобразователь напряжения - 13 в код, выход этого преобразователя подключен ко входу устройства управления - 17.
К клеммам коммутатора - 14 подключены входы и выходы накопителя электроэнергии-16, а также выходы источника напряжения - 15. Вход коммутатора - 14 соединен с выходом устройства управления - 17.
Предложенное устройство работает следующим образом: устройство управления - 17 дает сигнал на вентиль - 9, через который поступает в корпус - 1 опресняемая вода, при этом сливной вентиль - 5 и сливной вентиль - 6 находятся в закрытом состоянии. Поступающая через вентиль - 9 вода заполняет объем корпуса - 1, и по его заполнению срабатывает датчик контроля высокого уровня воды - 10. По сигналу датчика - 10 устройство управления отключает входной вентиль - 9, поступление воды в корпус - 1 прекращается.
Далее по сигналу устройства управления - 17 коммутатор - 14 подключает к аноду - 3 и катоду - 2 выходы источника напряжения - 15. Возникает ток, который преобразуется преобразователем - 12 в код и поступает в устройство управления - 17, которое контролирует код, соответствующий току зарядки ионистора, находящегося в корпусе - 1. По мере увеличения заряженности ионистора к его электродам притягиваются ионы из обессоливаемого раствора, одновременно растет напряжение на ионисторе. Напряжение на ионисторе контролирует преобразователь - 13, данные с выхода которого поступают на устройство управления - 17.
В момент времени, когда напряжение на ионисторе достигает заданного предельного значения (ниже напряжения выделения кислорода и водорода), устройство управления - 17 подает сигнал на коммутатор - 14, который отключает источник напрядения - 15 от электродов ионистора (катода - 2 и анода - 3). Далее устройство управления дает сигнал на открытие вентиля - 6, через который опресненная вода из корпуса - 1 сливается в бак - 8, при этом сливной вентиль - 19 бака - 8 всегда закрыт в штатном режиме. Его открывает только пользователь, желающий получить пресную воду. Опреснение воды в корпусе - 1 ионистора достигается тем, что ионы солей оказываются притянутыми к поверхности заряженного катода - 2 и заряженного анода - 3. Из объемов заряженного катода - 2 и заряженного анода - 3 вытекает опресненная вода, соли в виде ионов задерживаются на большой внутренней поверхности катода - 2 и анода - 3.
После слива опресненной воды из корпуса - 1 срабатывает датчик контроля низкого уровня воды - 11, по сигналу этого датчика сливной вентиль - 6 закрывается устройством управления - 17, кроме того, устройство управления - 17 открывает входной вентиль - 9. Опресняемая вода поступает в корпус - 1 через вентиль - 9 и заполняет его до уровня, на котором установлен датчик контроля высокого уровня воды - 10. При появлении воды на уровне датчика - 10 он срабатывает и посылает сигнал на устройство управления - 17. В свою очередь устройство управления - 17 закрывает входной вентиль - 9, прекращая поступление воды в корпус - 1.
Далее устройство управления - 17 подключает к катоду - 2 и аноду - 3 через коммутатор - 14 входы накопителя электроэнергии - 16. Накопитель электроэнергии - 16 нагружает своими входами электроды ионистора, направление тока меняется, электроэнергия перетекает от ионистора в корпусе - 1 в накопитель - 16. При этом устройство управления - 17 контролирует значения тока преобразователем - 12 и значение остаточного напряжения преобразователем - 13. По мере разряда ионистора, размещенного в корпусе - 1, эффективность извлечения из него электроэнергии накопителем - 16 падает. В установленный заранее момент разряда ионистора до заданного напряжения устройство управления - 17 по сигналу датчика - 13 отключает накопитель - 16 и включает вентиль слива рассола - 5. Рассол, проходя через открытый вентиль - 5, опустошает емкость корпуса - 1 до уровня срабатывания датчика - 11. После срабатывания датчика - 11 сливной вентиль - 5 закрывается устройством управления - 17 и открывается входной вентиль - 9, начинается заполнение корпуса - 1 новой порцией воды.
Сливаемая через вентиль - 5 вода имеет повышенное содержание солей из-за того, что входная опресняемая вода обогащается ионами солей, задержанными на поверхности катода - 2 и анода - 3 при опреснении предыдущей порции воды. Отрыв от поверхности катода - 2 и анода - 3 ионов солей обусловлен тем, что в момент слива рассола через вентиль - 5 катод - 2 и анод - 3 ионистора в корпусе - 1 разряжены (не притягивают ионы).
При заполнении водой корпуса - 1 в третий раз вновь срабатывает датчик контроля высокого уровня воды - 10, по сигналу которого устройство управления - 17 перекрывает вентиль - 9. Далее устройство управления - 17 начинает заряд катода - 2 и анода - 3, подключая к ним через коммутатор - 14 выходы накопителя электроэнергии - 16. Накопитель электроэнергии отдает накопленную электроэнергию ионистору, размещенному в корпусе - 1. При этом ионистор, размещенный в корпусе - 1, заряжается не до полного напряжения. Момент прекращения заряда ионистора фиксируется устройством управления - 17 и датчиком тока - 12. При прекращении заряда ионистора ток энергии от накопителя - 16 снижается до малого значения. Этот момент фиксируется устройством управления - 17, которое отключает выходы накопителя - 16 от катода - 2 и анода - 3 коммутатором - 14 и подключает через этот же коммутатор - 14 к электродам ионистора источник напряжения - 15. Источник напряжения - 15 дозаряжает ионистор, размещенный в корпусе - 1, до заданного предельного напряжения. Далее устройство управления - 17 открывает сливной вентиль - 6, через который следующая порция опресненной воды попадает в бак - 8.
Описанные выше циклы повторяются многократно до заполнения бака - 8 опресненной водой. При опреснении достигается сокращение энергозатрат из-за отсутствия выделения кислорода и водорода, а также из-за периодического накопления электроэнергии в накопителе - 16 с последующим ее возвратом ионистору, размещенному в корпусе - 1, на следующем цикле заряда.
В случае, если засоленность опресняемой воды велика, процедуру опреснения проводят повторно. При этом промывку задержанных ионов в пористом аноде - 3 и катоде - 2 ведут опресняемой водой, поступающей через вентиль - 9, а саму воду для второго опреснения подают из бака - 8 насосом - 7. Насос - 7 включают перед циклом заряда ионистора, расположенного в корпусе - 1, а выключают по сигналу от датчика высокого уровня воды - 10 при заполнении водой корпуса - 1.
Для достижения поставленной цели заявленного способа и реализации устройства важным элементом является накопитель электроэнергии - 16. Он может быть составлен из входного электромеханического прерывателя, трансформатора напряжения, первого входного выпрямителя переменного напряжения, батареи электролитических конденсаторов, накапливающих электроэнергию, второго выходного выпрямителя. Когда накопитель подключен к ионистору в режиме извлечения энергии, он коммутирует входы низковольтной обмотки своего трансформатора, пропуская через него переменный ток разряда ионистора. Трансформатор увеличивает напряжение разряда ионистора в десятки раз, далее это напряжение выпрямляется первым входным выпрямителем и накапливается на высоковольтных электролитических конденсаторах. Когда накопитель электроэнергии отдает ток, происходит обратный процесс. Электромеханический коммутатор подключает к высоковольтной обмотке трансформатора разряжаемые электролитические конденсаторы, трансформатор понижает напряжение и увеличивает ток, который выпрямляется выходным выпрямителем и производит зарядку ионистора. Накопитель электроэнергии является обычным электротехническим устройством, реализация которого не требует изобретательского уровня.
В целом предложенное устройство позволяет опреснять как сильно засоленные воды (делать их пригодными для питья сельскохозяйственными животными), так и слабосоленые (невкусные - жесткие) воды артезианских источников. Энергозатраты на опреснение удается снижать в несколько раз по сравнению с прототипом, так как снижаются затраты на электролиз воды при опреснении сильно засоленных источников (электролиз опресняемой сильно соленой воды отсутствует). Снижаются энергозатраты на опреснение слабоминарализованных источников, происходящие за счет исключения их нагрева при пропускании тока через высокое внутреннее сопротивление опресняемой слабосоленой воды. Причина снижения энергозатрат в этом случае состоит очень малом расстоянии между стенками пор пористых электродов ионистора. Конструкция предложенного устройства пригодна как для опреснения сильно минерализованных вод, так и слабо минерализованных вод. От уровня опреснения (от объема извлекаемых солей) меняются только энергозатраты и время работы предложенного устройства.
В конечном итоге это позволяет использовать устройство для того, чтобы сделать воду пригодной для питья домашним скотом либо для улучшения вкусовых качеств слабоминирализованных вод, получаемых из артезианских источников и неглубоких скважин, пробуренных на личных участках дач и коттеджей, отдельно расположенных ферм, хуторов и поселков, не имеющих подключения к водопроводу и электросети.
Литература
1. Патент № RU 2453352 С2 «СПОСОБ ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКИХ ВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ», заявка: 2009142109/05, 16.11.2009, Опубликовано: 20.06.2012, авторы: Слесаренко Владимир Николаевич (RU), Панасенко Андрей Александрович (RU), обладатель патента Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского" (RU).
2. Патент № RU 2233799 С2 «СПОСОБ ОБЕССОЛИВАНИЯ МИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ВОДЫ», Заявка: 2003125231/15, 18.08.2003, опубликовано: 10.08.2004, авторы: Пилат Б.В. (RU), Пилат К.Б. (RU), патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью Фирма "ЭЙКОСЪ" (RU).
3. Патент № RU 2412118 С2 «Способ опреснения морской воды», заявка №2008152212/15 от 29.12.2008, опубл. 20.02.2011. Бюл. №5. Авторы: Зорькин Е.М. (RU), Шаров В.В. (RU), патентообладатель ООО «Специализированное строительное объединение «Водоавтоматика» (RU).
4. В. Шульга «Суперконденсаторы: помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания». ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 3/2003, с. 20-23.