СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ПУТЕМ ЕЕ ЗАМОРАЖИВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF WATER TREATMENT BY FREEZING AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области техники для очистки воды, а более конкретно - к способам и устройствам для очистки воды путем ее замораживания с использованием морозильных камер бытовых холодильников или специальных термостатов, или естественного охлаждения.
Известен способ промышленной очистки воды путем ее замораживания и устройство для его осуществления /1/. Устройство включает резервуар для размещения воды и технические средства для ее охлаждения (замораживания) и нагрева (размораживания).
Известен способ /2/ очистки питьевой воды в быту путем ее замораживания и устройство /3/ для его осуществления. Способ включает залив воды в емкость, первое размещение емкости в морозильной камере, охлаждение воды до образования на ее поверхностях дейтериевого слоя льда толщиной 1-3 мм, извлечение емкости из холодильной камеры и удаление слоя дейтериевого льда, вторичное размещение емкости в морозильной камере и выдержка до образования чистого слоя льда и не доведенной до замерзания неочищенной, химически загрязненной, воды (остаточного рассола), извлечение емкости из морозильной камеры и отделение чистого льда от остаточного рассола, размораживание чистого льда. В процессе вторичного замораживания исходная вода, содержащая примеси в виде растворенных солей, органических веществ и ядохимикатов, разделяется на пресный чистый лед и остаточный рассол, который сосредотачивается в центральной зоне замораживаемого первичного объема воды.
Известный способ очистки воды имеет следующие недостатки:
- наличие двух отдельных стадий замораживания и двух отдельных стадий отделения льда от воды повышает трудоемкость ее очистки;
- неудобное удаление дейтериевой (тяжелой) воды, связанное с извлечением емкости из морозильной камеры, переливанием незамерзшей воды в новую (временную) емкость, удалением образовавшегося слоя первого льда (толщиной 1-3 мм) на верхней поверхности воды, дне и у боковых стенок основной емкости, переливание воды из временной емкости в основную, установка ее в морозильную камеру;
- используемое иногда на ранней стадии удаление слоя первого льда только с одной верхней поверхности, без переливания воды во временную емкость, увеличивает количество оставшейся дейтериевой воды в очищенной воде.
Учитывая эти недостатки, внешне ″простой″ способ очистки воды путем ее замораживания не получил распространения в бытовых условиях, хотя проблема получения ″стакана чистой питьевой воды″ крайне актуальна.
Известное устройство /3/ для очистки питьевой воды путем ее замораживания включает емкость (резервуар) для размещения воды, верхнюю крышку с выемкой для размещения слоя льда первичного замораживания, дно с выемкой для размещения воды и слоя льда вторичного замораживания, нагревательные элементы и запор, обеспечивающий прижим крышки и дна к резервуару, уплотнители между крышками и резервуаром.
Недостатки известного устройства для очистки воды в быту: сложность конструкции; недостаточное количество удаляемого дейтериевого льда, так как это предполагается делать только с одной верхней поверхности замораживаемой воды; трудность удаления дейтериевого льда даже только с одной верхней поверхности, так как процесс образования льда идет по всей внутренней поверхности емкости; трудность разделения чистого льда и остаточного рассола с помощью съемного дна с глубокой выемкой, так как процесс образования вторичного льда идет не сверху вниз, а по всей поверхности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ очистки воды путем ее замораживания, включающий охлаждение емкости с водой до температуры замораживания, выдержку, разделение дейтериевого льда, чистого льда и остаточного рассола, размораживание чистого льда, отличающийся тем, что охлаждение воды ведут при соотношении тепловых потоков в боковых и торцевых поверхностях, равном 50-500, выдерживают ее до получения за одну операцию изделия в виде слоя чистого льда по контуру емкости в объеме 25-50% от начального объема воды, слоя дейтериевого льда толщиной 0,5-4,0 мм по обеим торцевым поверхностям и находящегося внутри изделия остаточного рассола, причем для удаления дейтериевого льда с боковых поверхностей изделия емкость с изделием после извлечения из морозильной камеры выдерживают в режиме оттаивания в течение времени, которое на 20-40% превышает время оттаивания, необходимое для отделения изделия от емкости, а для удаления дейтериевого льда, находящегося в торцевых поверхностях изделия, и остаточного рассола наносят легкие удары по обеим торцевым поверхностям изделия, удаляют их и выливают рассол /4/.
Известно устройство для очистки воды путем ее замораживания, включающее емкость для размещения воды с крышкой и дном, емкость в вертикальном сечении имеет форму перевернутого усеченного конуса, причем на крышку нанесено термоизоляционное покрытие, а дно емкости опирается на съемный стакан с размещенным внутри него термоизоляционным покрытием /4/.
Недостатком этого способа является его сложность, низкая культура получения чистой воды.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение технологии получения чистой воды с одновременным повышением ее культуры за счет автоматизации технологии получения воды.
Поставленный технический результат достигается тем, что очистку воды производят путем ее замораживания, включающий охлаждение емкости с водой до температуры замораживания, выдержку, разделение дейтериевого льда, чистого льда и остаточного рассола, размораживание чистого льда, емкость заполняют водой до уровня, превышающего на 1,0-1,5 см уровень воронки с перфорацией, установленной в емкости, при этом охлаждение воды ведут до получения слоя дейтериевого льда на поверхности воды в емкости толщиной 0,5-1,0 мм, после этого производят частичный сброс воды (3-5% от общего объема воды в емкости) из емкости с обеспечением отделения дейтериевого льда от оставшейся воды, после сброса производят дальнейшее замораживание воды до образования льда в количестве до 70-80% от начального количества воды, после этого производят сброс рассола и последующее размораживание чистого льда, при этом внутреннюю поверхность емкости изготовляют из не смачиваемого водой материала.
В устройство для очистки воды путем ее замораживания, реализующее предлагаемый способ, включающее емкость для размещения воды с крышкой и дном, внутри емкости в верхней ее части установлена воронка, жестко закрепленная по окружности к внутренней поверхности емкости, сливная трубка от воронки через вентиль, расположенный в дне емкости, соединена с дополнительно введенным отстойником, при этом в местах соединения воронки с внутренней стенкой емкости выполнены перфорационные отверстия, внутренняя полость емкости через второй вентиль, установленный в дне емкости, соединена с внутренней полостью отстойника, внутренняя полость емкости соединена со сливным со сливным краном чистой воды, при этом внутренняя поверхность емкости и все находящиеся в ней элементы выполнены из не смачиваемого водой материала.
На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство реализующее предлагаемый способ.
Устройство для очистки воды путем ее замораживания содержит емкость 1 для размещения воды с крышкой 2 и дном 3. Внутри емкости 1, в верхней ее части, установлена воронка 4, жестко закрепленная по окружности к внутренней поверхности емкости 1. Сливная трубка 5 от воронки 4 через вентиль 6, расположенный в дне 3 емкости 1, соединена с дополнительно введенным отстойником 7, расположенным под емкостью 1. В местах соединения воронки 4 с внутренней стенкой емкости 1 выполнены перфорационные отверстия 8. Внутренняя полость емкости 1 через второй вентиль 9, установленный в дне 3 емкости 1, соединена с внутренней полостью отстойника 7. Внутренняя полость емкости 1 соединена со сливным краном 10 чистой воды.
Для исключения намерзания льда на внутренней стенке емкости 1, а также на элементах, находящихся в емкости их изготовляют из несмачиваемого материала (за счет исключения центров кристаллизации для льдообразования). В качестве не смачиваемых водой материалов могут быть использованы, например, фторопласт, полиэтилен, полипропилен, перфторалкильные и перфторполиэфирные материалы, а также различного рода водоотталкивающие покрытия (наиболее подробно см., например, Панафобные покрытия на смену гидрофобных, www/corrosio.ru/posts/panafobnyie-pokryitiya-na-smenu-gidrofobnyih).
Устройство работает следующим образом.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В основе очистки воды путем ее замораживания лежат следующие теоретические выкладки: при смешивании «легкой» (HO) и «тяжелой» (DO+TO) происходит изотопный обмен: HO+DO=2HDO; HO+TO=2НТО. Поэтому дейтерий и тритий находятся в воде в форме HDO и НТО. При этом температура замерзания для DO составляет +3,8 градуса Цельсия, а для TO - +9 градусов Цельсия, HDO и НТО замерзают соответственно при +1,9 градуса Цельсия и при +4,5 градуса Цельсия. Установлено, что при температуре в пределах от 0 до 1,9 градуса Цельсия молекулы воды с дейтерием и тритием, в отличие от «легкой» (протиевой воды), находятся в метастабильно-твердом состоянии.
Для получения чистой воды емкость 1 заполняют, например, водопроводной водой или водой, прошедшей через предварительную очистку, до уровня, превышающего на 1,0-1,5 см уровень воронки. В это время вентили 6 и 9 закрыты, сливной край 10 также закрыт. Емкость 1 вместе с отстойником 7 помещают в холодильную установку или подвергают естественному охлаждению на врем, достаточное для образования дейтериевого льда над поверхностью воронки 4 толщиной 0,5-1,0 мм (дейтериевый лед начинает образовываться при температуре плюс 3,8 градусов Цельсия и ниже). Толщины льда в пределах 0,5-1,0 мм достаточно, чтобы вся «тяжелая» вода отделилась от «легкой». После этого открывают вентиль 6, уровень воды в емкости 1 понижается и весь образовавшийся слой льда с дейтерием и тритием оказывается во внутренней полости воронки (если даже он не пройдет через вентиль 6, то все равно он оказывается изолированным от воды, находящейся в емкости 1. После этого воду в емкости подвергают дальнейшему охлаждению до образования льда в количестве до 70-80% от начального количества воды (эта величина не критична и может значительно отличаться от указанного значения). В процессе вторичного замораживания исходная вода, содержащая примеси в виде растворенных солей, органических веществ и ядохимикатов, разделяется на пресный чистый лед и остаточный рассол, который сосредотачивается в нижней части емкости 1. После этого производят сброс рассола, открывая вентиль 9. Образовавшийся лед размораживают и сливают его через сливной кран 10. Вода готова к употреблению. При размораживании воды в емкости 1 размораживаются и остатки льда, оставшиеся в воронке 4 и ее сливной трубке 5. Вода через открытый вентиль 6 сливается в отстойник 10. Вентили 6 и 9 могут управляться как механическим путем (как показано на чертеже), так и электрическим путем (на чертеже этот вариант не показан). Также вентили 6 и 9 и сливной кран 10 могут управляться по заранее заданной программе, отрабатывая описанный выше алгоритм функционирования предлагаемого устройства (управляющее устройство на чертеже не показано).
До начала следующего цикла работы устройства опорожняют отстойник 7. Вентили 6 и 9, и сливной кран закрывают. После этого устройство готово снова к работе.
Упрощение технологии получения чистой воды с одновременным повышением ее культуры за счет автоматизации технологии получения воды является достоинством и преимуществом предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом.
В марте месяце 2014 года на базе общества с ограниченной ответственностью «СКБМТ Инжиниринг». Россия. 613040, г. Кирово-Чепецк, Кировской области, ул. Заводская, д. 12 проведена опытная проверка предлагаемого способа и устройства. Испытание показало работоспособность предложенного устройства и хорошую очистку воды. После применения данной конструкции и технологии концентрация тяжелой воды и других загрязнений в готовой воде многократно уменьшилась.
Источники информации
1. Любарский В.М. Осадки природных вод и методы их обработки. М.: Стройиздат, 1980. с. 98-99. рис. 22.
2. Совет на всякий случай. М.: газета ″Рабочая трибуна″, N 21 (321), 30.01.91.
3. Патент РФ. N 2058262. CI (Стахиев Ю.М., Прокофьев Г.Ф.) 20.04.96, C02F 1/22.
4. Патент РФ, №2142914. С1 (Стахиев Ю.М.) 20.12.99, C02F 1/22.