СПОСОБ УМЯГЧЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД
METHOD OF SOFTENING NATURAL WATER

Способ предназначен для безреагентного умягчения природных вод. Способ может быть использован в области коммунального хозяйства в централизованных системах и децентрализованных системах водоснабжения, а также может быть использован в системах водоснабжения промышленных предприятий.
Известен способ умягчения воды наложением электрического поля частотой 0,5-1,0 Гц, силовые линии которого поперечны направлению движения воды (патент РФ №2002118421, МПК С02F 5/00, С02F 1/46).
Умягчение воды происходит при высоких энергозатратах. Кроме того, низкая частота переменного тока оказывает вредное воздействие на человека.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ обработки электролита электрическим и магнитным полем с целью снижения жесткости воды в оборотных системах водоснабжения предприятий (патент РФ №2229446, МПК С02F 1/48, С02F 103/34). Способ заключается в том, что на электролит воздействуют движущимся электрическим и магнитным полем, причем мгновенные скорости полей поддерживают равными по величине и направлению. Обессоливание воды происходит за счет действия силы Лоренца, возникающей в скрещенных электрическом и магнитном поле. В результате обработки воды получают умягченную воду, которую используют в производстве, и высокоминерализованную воду, которую необходимо утилизировать.
Недостатком способа является образование потока высокоминерализованной воды, утилизация которого является не менее сложной задачей по сравнению с умягчением воды. Кроме того, для реализации способа необходимо применение специального сложного оборудования, ранее не применявшегося в водоподготовке, а также необходимы высокие энергозатраты для создания вращающихся электрического и магнитного полей.
Задачей изобретения является умягчение природных вод с высокой жесткостью посредством воздействия магнитного и электрического поля и извлечение образовавшихся нерастворимых солей жесткости фильтрованием в зернистой загрузке, снижение энергозатрат.
Сущность изобретения заключается в том, что природную воду умягчают воздействием магнитного и электрического поля, причем согласно изобретению воду последовательно фильтруют в ферромагнитном материале, намагниченном внешним магнитным полем, а затем фильтруют в зернистом материале, находящемся в электрическом поле, созданном электрохимическим источником тока. Напряженность внешнего магнитного поля составляет 500-1000 А/м, воду фильтруют в гранулированном феррите фракций 5-10 мм со скоростью 20-40 м/ч. Электрическое поле создают за счет пространственного разделения электроотрицательного и электроположительного электродов, между которыми располагают зернистый фильтрующий материал. Фильтрование в электрическом поле ведут со скоростью 0,6-1,0 м/ч.
На чертеже представлена технологическая схема умягчения воды.
Ферромагнитный фильтр 1 заполнен гранулированным ферритом, обладающим высоким значением магнитной проницаемости. Магнитное поле создается с помощью соленоида 2, электропитание на который подается от источника 3. Выход ферромагнитного фильтра соединен со входом электрического фильтра 4, внутри которого расположен алюминиевый перфорированный анод 5, графитовый перфорированный катод 6, соединенные проводником 7. Пространство между катодом и анодом заполнено минеральным зернистым материалом, например, силицированным кальцитом 8.
Способ осуществляется следующим образом. Вода фильтруется последовательно в магнитном поле, а затем в электрическом поле. Магнитное поле создается любым способом, например с помощью соленоида. Под действием внешнего магнитного поля намагничиваются гранулы феррита, в результате чего между гранулами феррита возникает внутреннее магнитное поле высокой напряженности. Магнитная обработка воды изменяет физико-химические свойства воды, например вязкость, электропроводность, диэлектрическую проницаемость, а также влияет на свойства солей, растворенных в воде. При фильтровании воды в магнитном поле, как было установлено, не происходит образования нерастворимых солей и изменения жесткости.
При дальнейшем фильтровании воды в электрическом поле электрохимического источника тока наблюдается осадкообразование. Кристаллизация солей жесткости происходит как за счет влияния подщелачивающего эффекта вблизи поверхности зерен фильтрующего материала (силицированного кальцита), так и за счет поляризации этих минеральных зерен загрузки. Ионы кальция под действием электростатических сил стремятся к поверхности зерен фильтрующего материала, вблизи которых вода обладает щелочными свойствами, при этом образуются гидроксиды кальция, сульфаты кальция и основные соли кальция, обладающие низкой растворимостью. Образовавшийся осадок удерживается в толще фильтрующего материала, а вода умягчается.
Регенерация фильтрующих материалов осуществляется обратным током воды.
Пример 1. Умягчению подвергали природные воды из скважины №51 Южного водозабора г.Уфы. В воде содержатся следующие минеральные вещества, мг/л: кальций 416, магний 26, сульфаты 246, карбонаты 159. Жесткость воды общая 22 мг-экв/л, жесткость карбонатная 17,6 мг-экв/л, рН 7,1.
Воду фильтровали в ферромагнитном фильтрате, загруженном гранулами феррита фракции 5-10 мм. Для оптимизации процесса измеряли скорость фильтрования и напряженность магнитного поля.
Затем воду фильтровали в электрохимическом фильтре в направлении сверху вниз. В верхней части фильтра располагали алюминиевый перфорированный диск (анод), в нижней части - графитовый перфорированный диск (катод), катод и анод соединены проводником. Пространство между катодом и анодом заполнено минеральным зернистым фильтрующим материалом - силицированным кальцитом, который относится к активным фильтрующим материалам с подщелачивающим эффектом.
Напряженность магнитного поля меняли от 0 до 2000 А/м, скорость фильтрования в магнитном поле поддерживали равной 20 м/ч, результаты опытов представлены в таблице 1.
Из приведенных результатов следует, что лучший эффект умягчения воды наблюдается при напряженности магнитного поля 500-1000 А/м при скорости фильтрования в электрическом поле 0,6-1,0 м/ч. При увеличении напряженности магнитного поля до 2000 А/м эффект умягчения увеличивается незначительно при увеличении энергозатрат вдвое. За пределами остальных границ эффект умягчения ухудшается.
Пример 2. Провели опыт по умягчению той же воды при напряженности магнитного поля 500 А/м и оптимальной скорости фильтрования в электрохимическом фильтре, равной 1,0 м/ч. Скорость фильтрования в ферромагнитном фильтре меняли от 0 до 60 м/ч. Результаты опытов представлены в таблице 2.
Из приведенных результатов следует, что оптимальная скорость лежит в пределах от 20 до 40 м/ч. При скорости фильтрования 10 м/ч эффект умягчения увеличивается незначительно относительно скорости 20 м/ч, однако производительность фильтра уменьшается вдвое.
3
3
В опытах на соленоид подавали напряжение 100 В, ток 1 А, при этом создавали магнитное поле напряженностью 1000 А/м. При производительности ферромагнитного фильтра 5 м/ч затраты энергии составляли 0,02 кВт·ч на 1 м воды.
Затраты энергии в электрическом фильтре отсутствуют. Следовательно, предложенный способ относится к энергосберегающим технологиям.
Таблица 1
Напряженность магнитного поля, А/м
Жесткость умягченной воды (мг-экв/л) при скорости фильтрования в электрохимическом фильтре, м/ч
0,2
0,6
1,0
1,4
1,8
2,2
0
9,4
7,9
7,8
8,6
9,7
11,9
200
7,0
5,9
6,0
6,7
7,8
9,5
500
5,9
5,0
5,0
5,8
6,6
7,9
1000
5,5
4,8
4,7
5,3
6,4
7,6
2000
5,3
4,7
4,5
5,1
6,1
7,3
Таблица 2
Скорость фильтрования в ферромагнитном фильтре, м/ч
0
10
20
40
60
Жесткость умягченной воды, мг-экв/л
7,8
4,8
5,0
5,2
6,5