Устройство для озонирования

Полезная модель относится к технике озонирования жидких сред, в частности кондиционирования воды и водных растворов искусственного и естественного (минеральные воды) озонированием, например, в системах водообеспечения производств продуктов питания, в том числе безалкогольных и малоалкогольных напитков, для обеспечения населения питьевой водой, для предотвращения микробной контаминации и цветения воды бассейнов.
Цель достигается функционированием конструкции заявляемого устройства озонирования воды и водных растворов, представляющего собой рабочую емкость, с подводом очищаемой воды через патрубок, в который под углом врезан гидроакустический инжектор для ввода озона, причем, емкость заполняется водой до уровня, над которым установлен заборник паров воды и воздуха с остаточным озоном, подсоединенный к насосу, подающему откачиваемую над поверхностью воды смесь газов обратно в рабочую емкость через гидроакустический инжектор, при этом обработанная, озонированная вода поступает потребителю через выходной патрубок, перед которым установлена заслонка, снижающая вероятность попадания в готовый продукт излишков озона.
Техническим результатом применения устройства является интенсификация растворения озона в воде, ведущая к минимизации непрореагировавшего, остаточного озона и, как следствие, его влияния на органолептические свойства конечного продукта.
Свойства озона как эффективного окислителя органических веществ и дезинфектанта хорошо известны и успешно используются для обеззараживания воды на водозаборных станциях водоканалов, для предупреждения биообрастаний рабочих поверхностей в градирнях, для кондиционирования воды в бассейнах.
Технология кондиционирования воды с использованием озона находит широкое применение, поскольку обладая выраженными окислительными свойствами этот газ, действуя практически в течение нескольких секунд, уничтожает бактерии, их споры, грибки, цисты простейших, одноклеточные водоросли, а также вирусы, не изменяет при этом кислотности воды, не придает воде неприятных вкусов и запахов, не удаляет из нее ценные для жизнеобеспечения человека вещества, а неиспользованные остатки озона превращаются естественным образом в кислород. Однако, являясь мощным окислителем, озон относится к высокому классу опасности, поэтому должен быть максимально осторожно использован в процессе кондиционирования воды и водных растворов, и при этом его количество должно быть достаточным для достижения требуемого эффекта (Лунин В.В., Самойлович В.Г., Ткаченко С.Н., Ткаченко И.С. Теория и практика получения и применения озона М.: Изд-во Московского университета 2016, 432 С, US 7115203).
Известно множество устройств, обеспечивающих различные технологические приемы озонирования и обеззараживания воды.
Известны многосекционные каскадные озонаторы с применение барботирования озона, не обеспечивающие, однако эффективного взаимодействия с растворенными или суспендированными в жидкой среде составляющими, поскольку при реализации указанной технологии, газ продавливается сквозь слой жидкости, через отверстия 3-6 мм, что хоть и увеличивает межфазную поверхность на границе жидкость - газ, но не обеспечивает полного химического взаимодействию газов с присутствующими в воде частицами и растворенными веществами (Патент РФ 2104966). Известна установка для озонирования, где вместо барботера используется вихревая трубка, однако эта замена не обеспечивает высокой эффективности озонирования, и предлагается для использования в системах кондиционирования вод бассейнов (Патент РФ 2072328).
Известна установка для озонирования воды, содержащая многосекционные резервуары, либо одиночную реакционную емкость, выполненную в виде герметичного контактного бассейна, в нижней части которого расположен, по меньшей мере, один диспергатор, выполненный в виде пористой пластины с размерами пор 10-150 мкм или пластины с каналами в форме усеченного конуса, диаметр которых на входе и выходе озона составляет 180-200 мкм и 100-150 мкм соответственно, а также содержит систему обработки избыточного озона, выполненную в виде, по меньшей мере, одного блока форсунок, соединенных с источником распыляемой воды и размещенных над водной поверхностью, однако используемые диспергаторы требуют высокого расхода энергии на продавливание достаточного количества газа сквозь пористые пластинки, работу форсунок, распыляющих воду над ее поверхностью, и не обладают достаточной эффективностью для быстрого элиминирования остаточного озона (Патенты РФ 2169122, 2509732, 2505487, 2495832, 2498944, US 3732163).
Известно устройство для озонирования, включающее контактный резервуар с напорным отсеком с системой подачи воды, сливным отсеком с системой слива воды потребителю, а также системой подачи озоно-газовой смеси, с системой ее отведения и деструкции остаточного озона, газодиспергирующими элементами, установленными в нижней части контактного резервуара и снабженные узлами закрутки водного потока в виде центробежных форсунок, входы которых сообщены с системой подачи воды, обеспечивающей необходимый перепад давления воды на форсунках, а выходные сопла в виде круговой щели размещены над перфорированной поверхностью газодиспергирующих элементов и параллельны ей. Сопла форсунок обеспечивают смыв плоской струей воды зарождающиеся пузырьки озоно-газовой смеси уменьшенного размера и повышение степени поглощения озона водой. Системы подачи необработанной воды в сливной отсек выполнены в виде установленных вверху контактного резервуара, под уровень горизонта воды, параллельно друг другу заглушенных с одного торца перфорированных труб, открытые торцы которых сообщены либо с напорным, либо со сливным отсеком, а у дна ниже диспергирующих элементов, в виде поперечной перфорированной перегородки, полость под которой сообщена либо с напорным, либо со сливным отсеком, входы центробежных форсунок сообщены с трубами, через открытые торцы которых вода поступает из напорного отсека. При этом газодиспергирующие элементы выполнены обычной дисковой формы и равномерно размещены по поперечному сечению контактного резервуара с образованием проходов для пропуска воды и обслуживания (Патент РФ 2516497). Предлагаемые установки сложны по конструкции и в эксплуатации, поскольку требуют строго согласованного функционирования ряда элементов.
Комбинированные способы очистки воды с применением озона позволяют снизить рабочую концентрацию этого газа, относящемуся к самому высокому, первому классу опасности (ГОСТ 12.1.007-76). Очистку озоном комбинируют, например, с последующим пропусканием водопроводной воды через слой сорбента, в качестве которого используют активированный уголь (Патенты RU 2226512, RU 95118365), другие способы фильтрования (Патент ЕР 2022761), симультанным воздействием озона и ультрафиолетового излучения (Патент РФ 2636076), озона и ультразвука (Патенты US 7384563 B2, CN 102674528).
Для очистки воды весьма эффективно комбинирование озонирования и акустического воздействия. Введение в зону обработки упругих колебаний достаточной мощности с ультразвуковой частотой позволяет получить уровни обеззараживания, достижение которых относительно низкими концентрациями дорогостоящего озона невозможно. В основе всех ультразвуковых технологий лежат эффекты взаимодействия ультразвука со средой. Мощный ультразвук, в зависимости от его параметров и условий воздействия, вызывает в жидких средах ряд специфических эффектов - кавитацию, интенсивные микро - и макропотоки, приводящие к быстрому и качественному перемешиванию компонентов среды, интенсифицируют химические и биохимические процессы (Василяк Л.М., Применение ультразвука в системах обеззараживания воды. Электронная обработка материалов, 2010, №5, С.106-111). Следует, однако, отметить, что дезинфекция воды одной лишь моночастотной ультразвуковой обработкой практически невозможна, поскольку уровень обсемененности жидкой среды в ультразвуковом поле снижается экспоненциально, и для ее стерилизации требуется бесконечное время (Акопян В.Б., Ершов Ю.А., Щукин С.И. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. М.: Из-во Юрайт, 2020, 223 С).
Кроме того, применение мощного ультразвука, обеспечивающего интенсивную кавитацию в жидких средах, требует применения специальных генераторов - источников электрических сигналов ультразвуковой частоты и преобразователей этих сигналов в акустические волны в среде.
Для комбинированной обработки жидких сред, в частности для кондиционирования воды, для смешивания жидких сред положительно зарекомендовали себя гидроакустические преобразователи, обеспечивающие генерацию в жидкой среде акустических колебаний широкого диапазона частот и достаточной мощности для преодоления порога кавитации, при которой ударные волны и микропотоки с высокими градиентами скоростей, минимизирующие диффузионные ограничения ускоряют химические реакции взаимодействия компонентов смешиваемых субстанций, в частности, жидкостей и жидкостей с газами (Патенты SU 1034790, РФ 2006286, РФ 2075201, РФ 2008272, РФ 2158174, РФ 2165891, РФ 2651197, РФ 2626355, РФ 2631594, РФ 185587).
Заявляемое устройство озонирования воды представляет собой рабочую емкость 1, с подводом очищаемой воды 2, в который врезан гидроакустический инжектор для ввода озона 3, емкость заполнена водой до уровня 4, над которым установлен заборник паров воды и воздуха с остаточным озоном 5, подсоединенный к насосу 6, подающий откачиваемую над поверхностью воды смесь газов обратно в рабочую емкость через гидроакустический инжектор 7, содержит также выходной патрубок 8, для выведения обработанной, озонированной воды потребителю, и заслонку 9 перед патрубком, снижающую вероятность попадания излишков озона в готовый продукт.
Все функции заявляемого устройства - поддержание уровня воды в рабочем объеме, скорость подачи воды и озона, степень озонирования и т.д., могут быть автоматизированы с использованием известных современных методов автоматики и управления, обеспечивающих реализацию заданных функций.
Заявляемое устройство озонирования воды функционирует следующим способом:
программируют блок управления (на рис. не указан) задающий режим работы (граничные условия содержания растворенного озона и его концентрация в смеси газов над поверхностью воды в рабочем объеме, содержание озона в готовом продукте - озонированной воде и др.), наилучшим образом отвечающие требованиям производства;
рабочую емкость 1 заполняют до уровня 4 водой, подлежащей озонированию через ввод 2, при включенном инжекторе 3 распыляющем в поток воды контролируемое количество газообразного озона,
после заполнения рабочей емкости, смесь водяных паров, воздуха и остаточного озона, через заборник 5 насосом 6 откачивается и направляется обратно в рабочую емкость через гидроакустический инжектор 7;
озонированную воду отбирают из рабочей емкости через выходной патрубок 8, перед которым установлена заслонка 9, снижающая вероятность попадания в готовый продукт излишков озона в виде газовых пузырьков.
Применение заявляемого устройства позволяет в условиях единичного рабочего объема получать озонированную воду для производственных и других целей без потерь озона и без его пересыщения в конечном продукте.
Заявленная полезная модель создает необходимое разнообразие, обеспечивающее дополнительные возможности выбора устройства озонирования воды и водных растворов искусственного и естественного (минеральные воды) происхождения для оптимального решения производственных задач, связанных с водопользованием.