УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ В БЫТУ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Полезная модель относится к обработке воды, а именно к обработке воды ультрафиолетовым светом в бытовых условиях, но при этом ничто не препятствует ее использованию и в промышленных масштабах.
В водоснабжении населенных пунктов водой питьевого качества наиболее распространенными процессами водоочистки являются осветление и обеззараживание. Осветление - это этап водоочистки, в процессе которого происходит устранение мутности воды путем снижения содержания в ней взвешенных примесей. Одним из наиболее широко применяемых на практике способов снижения в воде содержания тонкодисперсных примесей является их коагулирование - осаждение в виде специальных комплексов - коагулянтов с последующим фильтрованием. При фильтровании из воды удаляются взвешенные вещества, яйца гельминтов (червей-паразитов) и значительная часть микроорганизмов. Обеззараживание - завершающий этап процесса водоочистки. Его цель - подавление жизнедеятельности содержащихся в воде болезнетворных микробов.
По способу воздействия на микроорганизмы методы обеззараживания воды подразделяются на: химические, или реагентные; физические, или безреагентные, и комбинированные. В первом случае должный эффект достигается внесением в воду биологически активных химических соединений; безреагентные методы обеззараживания подразумевают обработку воды физическими воздействиями, а в комбинированных используются одновременно химическое и физическое воздействия.
Из физических способов обеззараживания питьевой воды наибольшее распространение получило обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением, бактерицидные свойства которого обусловлены действием на клеточный обмен и особенно на ферментные системы бактериальной клетки. Ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение) уничтожает не только вегетативные, но и споровые формы бактерий, и не изменяет органолептических свойств воды.
Известно устройство для дезинфекции воды (патент RU 2521055 С1; МПК: C02F 1/32; 27.06.2014), содержащее корпус в виде стакана с крышкой, имеющей входной и выходной патрубки. Внутри корпуса расположена камера обеззараживания, снабженная заключенной в кварцевый кожух ультрафиолетовой лампой. В дне и крышке камеры обеззараживания образованы отверстия для прохождения воды. Кварцевый кожух соединен с корпусом посредством держателя, жестко закрепленного на кожухе и имеющего на внешней стороне кольцевой выступ, взаимодействующий с дном корпуса. Между корпусом и держателем под кольцевым выступом установлены уплотнительные кольца, причем между боковой стенкой камеры обеззараживания и корпусом образована свободная полость для прохождения необработанной воды. Недостатком устройств является невысокая эффективность обеззараживания, особенно в случае заражения воды устойчивыми формами микроорганизмов, а также неоптимальный режим работы при изменении расхода воды через установку. Эти недостатки обусловлены свойствами используемых ртутных ламп: ультрафиолетовое излучение такой лампы сосредоточено в основном в линии 253,7 нм, для которой микроорганизмы устойчивых форм обладают низкой чувствительностью; мощность излучения ртутной лампы практически не поддается регулированию и при изменении расхода обрабатываемой воды имеет место либо недостаточная облученность (при высоком расходе), либо передозировка (при низком расходе).
Известно устройство для обеззараживания и очистки водных сред на основе импульсной ксеноновой лампы (патент RU 2031850 С1; МПК: C02F 1/32). Устройство содержит реактор в виде герметичного корпуса с входным и выходным трубопроводами, в котором установлена импульсная газоразрядная ксеноновая лампа в качестве источника УФ-излучения, блок питания, подключенный к источнику УФ-излучения, и блок управления, подключенный к блоку питания. При работе этого устройства импульсная ксеноновая лампа вырабатывает высокоинтенсивное УФ-излучение сплошного спектра, непрерывно перекрывающее полосы поглощения различных микроорганизмов и органических загрязнителей. В результате эффективность обеззараживания воды оказывается существенно выше, чем у аналогов на основе ртутных ламп. Недостатком устройства является невозможность обеспечить оптимальный режим работы устройства при изменении расхода обрабатываемой воды.
Известна выбранная в качестве прототипа автоматическая установка для обеззараживания воды (патент RU 161633 U; МПК: C02F 1/32; 27.04.2016), содержащая реактор в виде герметичного корпуса с входным и выходным трубопроводами, в котором установлена импульсная газоразрядная ксеноновая лампа в качестве источника ультрафиолетового излучения, блок питания, подключенный к источнику УФ-излучения, и блок управления, подключенный к блоку питания. На входном трубопроводе реактора последовательно установлены расходомер с импульсным выходом, фотоэлектрический датчик прозрачности воды и клапан с электромагнитным приводом, а на боковой поверхности корпуса реактора выполнено кварцевое окно и установлен датчик ультрафиолетового излучения, при этом датчик расхода, фотоэлектрический датчик прозрачности воды, датчик УФ-излучения и клапан с электромагнитным приводом подключены к блоку управления. Технический результат от применения данной полезной модели заключается в оптимизации режима работы установки при изменении расхода обрабатываемой воды. При этом, однако, имеются существенные резервы для повышения эффективности использования метода обеззараживания воды УФ-излучением. Кроме того, снижение в последнее время качества потребляемой населением в быту питьевой воды становиться одной из актуальных проблем, решению которой может способствовать создание недорогих доступных самым широким слоям населения и простых в эксплуатации устройств обеззараживания воды.
2
2
2
Известно, что фотокатализ - это изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ-фотокатализаторов, которые поглощают кванты света и участвуют в химических превращениях участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий. Известны методы фотокаталитического разложения вредных органических соединений как в газовой фазе, так и в растворах. Наиболее часто в качестве фотокатализатора используется двуокись или диоксид титана (TiO). Это связано с его высокой фотокаталитической активностью, высокой химической стабильностью, низкой стоимостью и отсутствием токсичности. Все более широкое распространение получает в последнее время использование нанопокрытий и нанопорошков диоксида титана для фотокаталитического разложения вредных органических примесей в воде и в воздухе, а также уничтожения широкой гаммы бактерий и вирусов. Суть фотокаталитических свойств диоксида титана состоит в том, что в объеме частицы TiO под действием электромагнитного излучения генерируются электрон-дырочные пары, которые при выходе на поверхность частицы вступают в окислительно-восстановительные реакции с адсорбированными молекулами. При этом фотокаталитическая активность TiO проявляется в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитного излучения.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в повышении эффективности обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым светом.
Технический результат достигается тем, что устройство для обеззараживания питьевой воды в быту ультрафиолетовым излучением (УФ-излучением) содержит: установленный во внешнем корпусе герметичный реактор с входным и выходным патрубками, блок питания и блок управления с подключенным к нему датчиком потока воды в реакторе. Устройство отличается тем, что реактор разделен перегородкой на сообщающиеся через ее нижнее отверстие входную и выходную камеры, в которых в герметичных кварцевых кожухах установлены газоразрядные источники ультрафиолетового излучения (УФ-излучатели); при этом внутренняя поверхность реактора выполнена с поверхностным слоем из наноразмерных частиц диоксида титана. Блок управления содержит управляемый контроллером управления интенсивностью УФ-излучения драйвер подключенных к нему УФ-излучателей, в цепи питания которых установлены датчики тока УФ-излучателей, подключенные к контроллеру управления интенсивностью УФ-излучения. При этом управление работой устройства осуществляется с помощью подключенных к контроллеру управления интенсивностью УФ-излучения клавиатуры, дисплея, светодиодного индикатора неисправности и излучателя звукового сигнала неисправности.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлено устройство для обеззараживания питьевой воды в быту УФ-излучением, где: 1 - внешний корпус устройства, 2 - реактор, разделенный внутренней перегородкой 5 с отверстием 20 на входную 18 и выходную 19 камеры; 3 - входной патрубок; 4 - выходной патрубок; 6 - поверхностный слой из наноразмерных частиц диоксида титана; 7 - ультрафиолетовый излучатель (УФ-излучатель), 8 - кварцевый кожух УФ-излучателя, 9 - дисплей, 10 клавиатура, 14 - датчик потока воды в реакторе, 16 - излучатель звукового сигнала неисправности, 17 - светодиодный индикатор неисправности.
На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства, где: 7 - УФ-излучатель, 9 - дисплей, 10 - клавиатура, 11 - блок питания, 12 - контроллер управления интенсивностью УФ-излучения, 13 - управляемый драйвер УФ-излучателей, 14 - датчик потока воды в реакторе, 15 - датчик тока УФ-излучателя, 16 - излучатель звукового сигнала неисправности 17 - светодиодный индикатор неисправности, U1 - сигнал управления драйвером УФ-излучателей.
Устройство работает следующим образом.
При подключении устройства к сети переменного тока и до тех пор, пока в реактор 2 не начнет поступать вода, УФ-излучатели 7 работают в режиме минимальной мощности.
Поступление воды в реактор контролируется датчиком потока воды 14 в реакторе, сигнал с которого поступает в контроллер 12 управления интенсивностью УФ-излучения. Контроллер 12 вырабатывает управляющий сигнал U1 об установке требуемого режима работы УФ-излучателей, поступающий в драйвер 13 УФ-излучателей. Драйвер 13 обеспечивает изменение интенсивности УФ-излучателей в зависимости от параметров управляющего сигнала U1.
Когда вода через входной патрубок 3 начинает поступать в реактор 2, сигнал об этом с датчика потока воды 14 поступает в контроллер управления 12 интенсивностью УФ-излучения, где формируется соответствующий управляющий сигнал U1 и УФ-излучатели переходят в режим работы с номинальной мощностью. Поступающая в реактор вода последовательно проходит через входную камеру 18 реактора, отверстие 20 в перегородке 5, выходную камеру 19 и выводится из реактора через выходной патрубок 4. В это время в реакторе под воздействием УФ-излучения в структуре молекул ДНК и РНК присутствующих в воде микроорганизмов происходят фотохимические реакции, приводящие к их необратимым повреждениям. Действие УФ-излучения вызывает также нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Все это в конечном итоге приводит к их гибели. Дополнительно к этим процессам под действием УФ-излучения происходят реакции, обусловленные наличием на внутренней поверхности реактора поверхностного слоя фотокатализатора - наноразмерных частиц диоксида титана и вносящие существенный вклад в совокупный обеззараживающий эффект от воздействия УФ-излучения. Таким образом, эффективность процесса обеззараживания воды в устройстве за счет его фотокаталитической составляющей (обусловленной наличием слоя из наноразмерных частиц диоксида титана, нанесенного на внутреннюю поверхность реактора устройства), существенно повышается, что и обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Контроллер 12 периодически производит опрос датчиков тока 15 УФ-излучателей для определения их исправности. Если будет получен сигнал об отсутствии тока хотя бы в одном из УФ-излучателей, то контроллер 12 вырабатывает сигнал включения излучателя звукового сигнала 16 неисправности, который обеспечивает подачу периодических коротких звуковых сигналов. При этом контроллером 12 вырабатывается также сигнал включения светодиодного индикатора неисправности 17, и на дисплей 9 выводится информация о неисправности УФ-излучателя с указанием его номера.
Контроллером 12 производится также подсчет времени работы каждого из излучателей с сохранением информации об этом во внутренней памяти контроллера. Если при подсчете времени работы излучателей контроллер фиксирует превышение допустимого времени работы какого-либо излучателя, то зажигается светодиодный индикатор неисправности и подается звуковой сигнал неисправности, а на дисплей 9 выводится информация о превышении допустимого времени эксплуатации этого УФ-излучателя. В этом случае УФ-излучатель с выработанным ресурсом необходимо заменить и с помощью клавиатуры 10 обнулить время работы УФ-излучателя.
Таким образом, предотвращается работа устройства с неисправными или с выработывавшими свой ресурс УФ-излучателями, что исключает непроизводительные затраты при эксплуатации данного устройства и снижение качества обеззараживания воды неисправными или выработывавшими ресурс УФ-излучателями. Все это в совокупности также способствует существенному повышению эффективности обеззараживания воды при использовании данного устройства.
Снижению непроизводительных затрат электроэнергии при эксплуатации устройства и в конечном итоге повышению эффективности обеззараживания воды способствует также то, что при прекращении подачи воды в реактор по сигналу с датчика потока воды контроллер 12 обеспечивает подачу управляющего сигнала U1 с необходимыми параметрами в драйвер 13, вследствие чего УФ-излучатели переходят в режим работы с минимальной мощностью. Это позволяет также значительно сократить время, необходимое УФ-излучателям для перехода в режим работы с номинальной мощностью после возобновления подачи воды в реактор устройства и выработки контроллером 12 по сигналу с датчика потока воды управляющего сигнала U1 с необходимыми параметрами в драйвер 13.
Наличие двух (входной и выходной) камер в реакторе устройства и нескольких излучателей позволяет существенно повысить интенсивность УФ-излучения и способствует более равномерному распределению излучения по всему объему последовательно проходящего по камерам реактора потока воды. Наличие в конструкции реактора герметичных кварцевых кожухов, в которые установлены УФ-излучатели, обеспечивает возможность быстрой замены неисправных излучателей без полной разборки устройства и длительного перерыва в его работе, исключив при этом существенное поглощение УФ-излучения стенками кожухов. Все это также способствует существенному повышению эффективности обеззараживания воды при использовании данной полезной модели.
Как известно эффективность УФ-обеззараживания воды может быть дополнительно повышена путем сочетания с другими методами обеззараживания и с физическими воздействиями. Так, например, это достигается одновременной обработкой воды кавитацией или ультразвуком, введением малых доз озона после УФ-обработки (http://www.mediana-filter.ru/water_filter_uf.html). Однако это приводит к существенному усложнению конструкции устройств для обеззараживания воды и повышению затрат при эксплуатации подобных устройств. В данной полезной модели реализован способ повышения эффективности УФ-обеззараживания воды, исключающий такие отрицательные последствия.