УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ ДИАФРАГМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ

Полезная модель относится к устройствам для обеззараживания жидкостей с помощью диафрагменного электрического разряда и может быть использована для стерилизации природных и сточных вод.
Известно устройство очистки и обеззараживания сточных вод (см. пат. №2295499, РФ, МГЖ C02F 1/467, 2007 г.) содержащее камеру, снабженную диэлектрической мембраной с отверстиями, расположенной между верхним и нижним электродами, патрубок подачи воды, установленный в верхней части камеры.
Недостатком известного устройства является отсутствие контроля температуры и проводимости обрабатываемой жидкости в реальном времени, что не позволяет более точно подстраивать параметры установки и обеспечивать наименьшее электропотребление при максимальном эффекте обеззараживания.
Техническим результатом полезной модели является интенсификация процесса обеззараживания и уменьшение удельного электропотребления.
Результат достигается тем, что устройство для обеззараживания воды диафрагменным электрическим разрядом, содержащее камеру, снабженную диэлектрической мембраной с отверстиями, расположенной между верхним и нижним электродами, патрубок подачи воды, установленный в верхней части камеры, отличается тем, что электроды выполнены из меди, патрубок подачи воды снабжен механическим клапаном, патрубок отвода воды, установленный в нижней части камеры, снабжен электрическим клапаном, устройство также снабжено блоком управления и приборами контроля, включающими расходомер, датчик температуры, установленный в камере, датчики проводимости, установленные в патрубках подачи и отвода воды, при этом блок управления связан с приборами контроля, электрическим клапаном и источником тока.
Устройство отличается также тем, что источник тока снабжен управляемым тиристорным регулятором и повышающим трансформатором.
Устройство отличается также тем, что блок управления выполнен на основе микроконтроллера.
На фиг.1 изображено устройство, на фиг.2 - функциональная схема блока управления, на фиг.3 - зависимость концентрации продуктов меди от разности удельной проводимости жидкости до и после обработки.
Устройство содержит разрядную камеру 1, выполненную из изоляционного материала, например, винипласта, диэлектрическую мембрану с отверстиями 2, выполненную из фторопласта, по обе стороны от мембраны расположены медные электроды: 3 - нижний и 4 - верхний. В верхней части разрядной камеры установлен патрубок подачи воды 5 с клапаном 6 и поплавком 7. Клапан автоматически поддерживает рабочий уровень 8. В нижней части разрядной камеры расположен патрубок отвода воды 9 с электрическим клапаном 10. Также устройство содержит датчики проводимости 11, 12, датчик температуры 13, расходомер 14, источник тока 15 и блок управления 16. Датчики проводимости 11 и 12 закреплены в патрубке подачи воды 5 и патрубке отвода воды 9 соответственно, датчик температуры 13 установлен в центре разрядной камеры ниже диэлектрической мембраны. Все датчики 11, 12 и 13, расходомер 14, электрический клапан 10 и источник тока 15 связаны с блоком управления 16. Источник тока 15 содержит управляемый тиристорный регулятор и повышающий трансформатор.
Функциональная схема блока управления 16 представлена на фиг.2. Блок управления содержит микроконтроллер 17, имеющий в своем составе аналого-цифровой преобразователь (АЦП). К входам АЦП через фильтры нижних частот 18, выполненные, например, на основе RC-фильтра, и операционные усилители 19 подключены датчики проводимости 11 и 12, датчик температуры 13 и расходомер 14. Сигнальные выходы микроконтроллера через усилители сигнала 20, выполненные на транзисторных ключах, подключены к источнику тока и электрическому клапану.
Для подавления высокочастотных помех и приведения сигнала к нужному для АЦП диапазону, сигналы с датчиков проходят через фильтры нижних частот и операционные усилители. Преобразованные в цифровую форму сигналы используются для формирования управляющих воздействий, поступающих через усилители сигнала на электрический клапан и источник тока.
В блоке управления программно реализуется известный закон ПИ-регулирования, позволяющий более плавно реагировать на незначительные отклонения выхода меди, возникающие вследствие нестационарности процесса.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Вода поступает в разрядную камеру 1 через патрубок подвода воды 5. Рабочий уровень 8 автоматически поддерживается поплавком 7 и клапаном 6. На электроды 3, 4 от источника тока 15 подается напряжение в диапазоне от 500 до 1800 В. При этом в отверстиях диэлектрической мембраны 2 инициируется диафрагменный разряд, в канале которого происходит образование ультрафиолетового излучения, озона, активных радикалов группы ОН, ионов и ультрадисперсных частиц материала электродов (в предлагаемом способе ультрадисперсные частицы и ионы меди). Выход меди контролируют по полученной зависимости концентрации продуктов меди от разности удельной проводимости жидкости до и после обработки (фиг.3), поступающей с датчиков 11, 12 на блок управления 16, корректировку по температуре производят на основе данных с датчика температуры 13. Расход обрабатываемой жидкости контролируют расходомером 14, данные с которого поступают на блок управления, который посредством электрического клапана 10 через выводной патрубок 9 пропорционально регулирует расход через разрядную камеру. Напряжение на электродах 3, 4 регулируют в зависимости от температуры, расхода и проводимости отрабатываемой жидкости по эмпирическому закону (1), запрограммированному в память микроконтроллера блока управления:
где U - напряжение на электродах, V - мгновенный расход жидкости, t - температура, σ - удельная проводимость жидкости, k - эмпирический коэффициент, зависящий от параметров разрядной камеры, С - эмпирический коэффициент, зависящий от начальных параметров обрабатываемой воды.
Пример 1. Испытания проводились на лабораторной установке с диафрагмой толщиной 13 мм, имеющей 6 отверстий диаметром 2 мм. Расход через разрядную камеру изменяли в пределах от 0,14 до 0,56 л/мин. Результаты анализов содержания меди в обработанной воде приведены в табл.1, результаты измерения напряжения на электродах разрядной камеры приведены в табл.2.
Таблица 1 - Концентрация меди в зависимости от расхода воды
Расход воды, л/мин
Концентрация меди в зависимости от заданной уставки (мг/дм<sup>3</sup>)
0,01 мг/дм<sup>3</sup>
0,1 мг/дм<sup>3</sup>
0,5 мг/дм<sup>3</sup>
1 мг/дм<sup>3</sup>
0,14
0,013
0,109
0,513
1,089
0,28
0,009
0,113
0,489
0,984
0,56
0,011
0,104
0,508
0,991
Таблица 2 - Напряжение на электродах разрядной камеры в зависимости от расхода обрабатываемой воды.
Расход воды, л/мин
Напряжение на электродах (в вольтах) в зависимости от заданной концентрации меди Cu<sup>2+</sup>
0,01 мг/дм<sup>3</sup>
0,1 мг/дм<sup>3</sup>
0,5 мг/дм<sup>3</sup>
1 мг/дм<sup>3</sup>
0,14
480
620
820
1150
0,28
540
750
990
1320
0,56
680
1100
1240
1560
Из таблиц видно, что предлагаемое устройство обеззараживания воды диафрагменным электрическим разрядом позволяет регулировать подводимое напряжение в зону разряда при изменяющемся расходе, тем самым снизить удельные энергозатраты на обеззараживание воды.
7
Пример 2. В качестве микробных тест-культур использовались штаммы аспорогенных бактерий Escherichia coli штамм №25922 из центра эпидемиологии и гигиены Госсанэпиднадзора по Читинской области, исходная концентрация 1,5·10 кл/мл E.coli. В табл.3 приведены некоторые результаты анализов качества обработанной воды.
Таблица 3 - Бактерицидные свойства воды, обработанной диафрагменным разрядом, в зависимости от внесенных продуктов меди
Концентрация Cu<sup>2+</sup>, мг/дм<sup>3</sup>
Исходное число клеток в 1 мл
Гибель бактерий (в %) при разной экспозиции
1 ч
12 ч
24 ч
48 ч
96 ч
1
1,5·10<sup>7</sup>
99,5
99,35
100
-
-
0,1
1,5·10<sup>7</sup>
89,4
94,80
96,57
100
-
0,01
1,5·10<sup>7</sup>
45,3
78,8
96,9
98,4
100
Из таблицы видно, что предлагаемое устройство обеззараживания воды диафрагменным электрическим разрядом позволяет существенно повысить эффективность обработки воды.
Предлагаемое устройство позволяет более экономично расходовать энергетические ресурсы, добиваясь при этом максимального эффекта благодаря контролю основных параметров процесса обеззараживания жидкости на основе диафрагменного электрического разряда.