УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Полезная модель относится к области очистки и обеззараживания воды (питьевой, сточной и др.) и может быть использовано на промышленных предприятиях, в сельском хозяйстве, медицинских учреждениях и в быту.
Среди экологически чистых технологий очистки воды широкое распространение получило озонирование. В промышленных масштабах озон производят из воздуха или кислорода с помощью электрического разряда. Для более высокого выхода озона газ, продуваемый через озонатор, должен быть тщательно осушен, так как в присутствии паров воды выход озона значительно снижается. Далее для растворения озона в воде используют массообменные аппараты различных конструкций. При растворении в воде озон разлагается с образованием сильного окислителя - гидроксильного радикала (ОН), который способен разрушать многие токсичные органические соединения.
Помимо озонирования имеется много способов генерирования химически активных частиц, сильных окислителей. К таким процессам относятся ионизирующее излучение (электроны и фотоны высокой энергии), УФ-излучение, анодный микроразряд в воде, барьерный разряд, коронный разряд, импульсные разряды над поверхностью жидкости.
Относительно высокой эффективностью отличаются устройства на основе коронного разряда в газе над поверхностью воды. Так в работе [Suarason J., Mudura M., Chiro R. A novel tipe ozonier for wastewater treatment // J. of Electrostatics. - 2005. - №63. - PP.831-836.] изучался процесс очистки воды под действием коронного разряда переменного тока. Устройство для очистки воды состоит из корпуса, внутри которого расположена система электродов типа «игла- плоскость». Высоковольтный электрод имеет форму иглы, а заземленным электродом является поверхность обрабатываемой воды. Газовый разряд формируется в зазоре между высоковольтным электродом и поверхностью воды. Это исследование показало, что при таком разряде концентрация озона в воде может достигать внушительной величины, а эффективность очистки достигает 99%. Но в данном устройстве низкая интенсивность массообменных процессов между химическими продуктами коронного разряда в газовой фазе и водой. Пребывание в зоне разряда химически активных частиц приводит к их рекомбинации. Все это приводит к повышенным энергетическим затратам в процессе очистки воды.
Использование импульсного напряжения позволяет создать условия для достижения стримером коронного разряда поверхности жидкости [Пискарев И.М., Спиров Г.М., Селемир В.Д., Карелин В.И., Шлепкин С.И. Зависимость от температуры скорости образования активных частиц при наносекундном стримерном коронном электрическом разряде между твердым электродом и поверхностью воды // Химия высоких энергий. - 2007. - Т.41. - №4. - С.334-336; Белинский В.В., Божко И.В., Чарный Д.В. Импульсный коронный разряд на поверхность электропроводящей жидкости и его использование для обработки воды // Техн. електродинамiка. - 2010. - №3. - С.21-27.]. Такое устройство для очистки воды состоит из корпуса с патрубками подачи и отвода газа и жидкости. Внутри корпуса расположена система электродов типа «игла - плоскость». Высоковольтный электрод по форме многоигольчатый, а заземленным электродом является поверхность обрабатываемой воды. Газовый разряд формируется в зазоре между высоковольтным многоигольчатым электродом и поверхностью воды. В данном устройстве конструкция многоигольчатого электрода позволяет увеличить площадь обрабатываемой воды. Применение импульсного напряжения позволяет увеличить амплитуду тока разряда и концентрацию химически активных частиц.
Но в данном устройстве низкая интенсивность массообменных процессов между химическими продуктами газового разряда в газовой фазе и водой. Пребывание в зоне разряда химически активных частиц приводит к их рекомбинации. Все это приводит к повышенным энергетическим затратам в процессе очистки воды.
Известно устройство для очистки воды [патент RU №2251533, М. кл.7: C02F 1/467, опубл. 10.05.2005], выбранное в качестве прототипа, содержащее реактор, эжекторный насос, смеситель и патрубки, один из которых является выходным патрубком для отвода из устройства очищенной жидкости, внутри реактора размещена группа верхних высоковольтных электродов, нижний заземленный электрод и ограничительный экран, расположенный в группе верхних высоковольтных электродов, реактор снабжен дренажной системой, входным патрубком для подачи воздуха и выходным патрубком, эжекторный насос снабжен выходным патрубком и двумя входными патрубками, один из которых служит выходным патрубком реактора для транспортировки озоногидроксильной смеси, а второй - для подачи обрабатываемой жидкости, смеситель, в свою очередь, также снабжен входным и выходным патрубком, причем входной патрубок смесителя служит одновременно выходным патрубком эжекторного насоса.
3
2
2
Это устройство работает следующим образом. В реактор подают воду так, чтобы концы верхней группы высоковольтных электродов находились в слое газа над поверхностью воды. Через верхний входной патрубок подают воздух. Одновременно с этим на верхнюю группу высоковольтных электродов подают электрическое напряжение. При высокой напряженности электрического поля между поверхностью воды и верхними высоковольтными электродами загорается газовый разряд. В результате действия газового разряда во влажном воздухе или во влажном кислороде образуются химически активные частицы: гидроксильный радикал (ОН); атомарный кислород (О); озон (О); перекись водорода (НО). Далее полученная озоногидроксильная смесь поступает в эжекторный насос, в котором происходит транспортировка химически активных частиц из газовой фазы в жидкость. В смесителе происходят реакции окисления молекул загрязнений с химически активными частицами.
В случае использования газового разряда во влажном воздухе или во влажном кислороде образуются короткоживущие химически активные частицы. Из-за малого времени жизни большая их часть превращается в инертные частицы, не покидая зоны разряда. Время жизни химически активных частиц в воздухе составляет лишь несколько сотен микросекунд [Ono R., Oda Т. Measurement of hydroxyl radicals in pulsed corona discharge // J. of Electrostatics. - 2002. - V.55. - №3. - Pp.333-342.]. Максимальная концентрация химически активных частиц достигается через 30-50 мкс после окончания импульса напряжения [Ono R., Oda Т. Dynamics of ozone and OH radicals in pulsed corona discharge in humid - air flow reactors measured by laser spectroscopy // J. Appl. Phys. - 2003. - V.93. - №10. - Pp.5876-5882.]. Дальнейшее пребывание химически активных частиц в воздухе приводит к их рекомбинации. Таким образом, значительная часть энергии газового разряда теряется, что приводит к повышенным энергетическим затратам в процессе очистки воды.
Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение энергетических затрат в процессе очистки воды.
Задача достигается тем, что в предлагаемом устройстве для очистки воды, содержатся корпус с патрубками для ввода и вывода потоков газа и жидкости, высоковольтные электроды, заземленный электрод. В корпусе размещены две торцевые крышки, между которыми установлен тангенциальный завихритель, представляющий собой цилиндр или конус с тангенциальными каналами. В каналах тангенциального завихрителя размещены высоковольтные электроды, а заземленный электрод выполнен в виде ротора с объемной насадкой, соединенного с валом, установленным соосно с тангенциальным завихрителем с возможностью вращения относительно своей оси.
На фиг.1 изображено предлагаемое устройство для очистки воды (общий вид), на фиг.2 разрез по А-А.
Устройство для очистки воды (фиг.1, фиг.2) содержит корпус 1 (цилиндрический или улиточный), в котором имеется патрубок для подвода газа 2, торцевые крышки 3 и 4. В торцевой крышке 4 имеется отверстие для выхода из многофазного слоя газа и жидкости. Между торцевыми крышками 3 и 4 размещен тангенциальный завихритель 5. Тангенциальный завихритель 5 представляет собой кольцо в виде цилиндра, в котором имеются тангенциальные каналы. В каналах тангенциального завихрителя установлены высоковольтные электроды 6. Заземленный электрод выполнен в виде ротора 7 с объемной насадкой 8, соединенного с валом 9, установленным на подшипниках, соосно с тангенциальным завихрителеем 5 и с возможностью вращения относительно оси тангенциального завихрителя 5. Объемная насадка 8 проницаема для фаз, непрерывно подаваемых в устройство для очистки воды. Для ввода жидкости используется патрубок 10, установленный в торцевой крышке 3, либо сопло, установленное непосредственно в тангенциальном завихрителе 5 (на фиг.1 сопло не показано), либо отдельный тангенциальный завихритель (на фиг.1 не показано) или систему сопел, распределенных по радиусу торцевой крышки 3 (на фиг.1 не показано). Так же, устройство для очистки воды содержит сепаратор 11 для разделения газа и жидкости, патрубок отвода газа 12 и патрубок отвода жидкости 13.
3
Устройство для очистки воды работает следующим образом. Через патрубки подвода фаз 2, 10 в устройство для очистки воды подаются газ (воздух, кислород) и жидкость (вода) (фиг.1). Газ проходит через тангенциальный завихритель 5, который придает вращательное движение поступающему внутрь потоку. В области между тангенциальным завихрителем 5 и торцевыми крышками 3 и 4 формируется вращающийся многофазный слой (газ/жидкость/объемная насадка), в котором происходит интенсивное взаимодействие объемной насадки, газа и жидкой фазы. В торцевой крышке 4 имеется отверстие для выхода из многофазного слоя газа и жидкости. Это отверстие ограничивает толщину многофазного слоя. За счет вращения в многофазном слое возникают значительные центробежные силы, что обеспечивает высокую дисперсность и устойчивость многофазного слоя. Как следствие этого, в таком устройстве реализуются высокая удельная поверхность контакта фаз и высокие относительные скорости фаз, что приводит к интенсификации процессов массообмена. При подаче на высоковольтные электроды напряжения между высоковольтными электродами и вращающимся многофазным слоем, возникает газовый разряд. В разряде генерируются химически активные частицы ОН, O и O. Вследствие высокой скорости (10-40 м/с) газа в каналах тангенциального завихрителя и высокой интенсивности массообмена во вращающемся многофазном слое активные частицы эффективно взаимодействуют с загрязнениями, находящимися в воде, не успевая рекомбинировать между собой. Это приводит к уменьшению энергетических затрат в процессе очистки воды.