УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ), УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ (ВАРИАНТЫ) И ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВА В УСТАНОВКАХ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR LIQUID PURIFICATION (VERSIONS), LIQUID-PURIFYING INSTALLATION (VERSIONS) AND DEVICE APPLICATION IN LIQUID-PURIFYING INSTALLATIONS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ГРУППА ИЗОБРЕТЕНИЙ
Заявляемая группа изобретений относится к очистке жидкости, а именно питьевой воды, в частности к обеспечению микробиологической безопасности водоочистных установок, содержащих мембранные фильтрующие элементы и устройства для очистки жидкости мембранного типа, за счет поддержания бактериостатических условий в объеме водоочистных установок.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время мембранные методы очистки воды становятся наиболее популярными в области бытовой водоочистки. Мембранные методы являются, так называемыми, барьерными сепарационными методами, т.е. разделение компонентов многокомпонентных смесей (растворов) при контакте с мембраной происходит в результате различий в проницаемости мембраны по отношению к компонентам смесей (растворов). В зависимости от механизма, по которому обеспечивается различная проницаемость мембран по отношению к различным компонентам многокомпонентной смеси (растворимым, нерастворимым, низкомолекулярным, высокомолекулярным, находящимся в ионной, молекулярной и т.д. формах, бактериальным клеткам и спорам, вирусам), различают микрофильтрационные, ультрафильтрационные, нанофильтрационные и обратноосмотические методы мембранной очистки.
При фильтрации обсемененных бактериальными клетками вод мембраны любого типа способны в той или иной степени отсекать бактериальные клетки и не позволять им проникать в очищенную воду. В зависимости от особенностей организации потока жидкости в мембранном модуле бактериальные клетки задерживаются мембраной или в предмембранном пространстве, либо частично выносятся потоком фильтруемой жидкости за пределы мембранного модуля. Осевшие и закрепившиеся на мембране клетки образуют так называемый биофильм - пленку, представляющую собой агрегативный комплекс, состоящий из бактериальных клеток, связанных друг с другом и с поверхностью мембраны за счет адгезионных сил.
Существуют три механизма проникновения бактериальных клеток в постмембранное пространство и в конечном итоге в очищенную воду:
1) неполное отсечение бактериальной суспензии мембраной, приводящее к проникновению части бактериальных клеток через поры или каналы в толще мембраны (естественные поры большого диаметра или, например, разрывы и иные повреждения целостности мембраны).
2) миграция бактериальных клеток из свободного объема магистрали очищенной воды, находящейся за мембраной.
3) прорастание бактериальной колонии, закрепившейся на поверхности мембраны, через поры мембраны из области, граничащей с неочищенной водой, сопровождающееся физическим проникновением бактериальных клеток в область очищенной воды.
При централизованной подготовке питьевой водопроводной воды на станциях водоочистки обеззараживание достигается за счет применения различных бактерицидных агентов - активного хлора, диоксида хлора, хлораминов, озона. Применение в бытовых фильтрах для воды традиционных адсорбентов на основе активированных углей приводит к поглощению активного хлора и прочих агентов, обладающих бактерицидной активностью, еще на стадии предварительной очистки. Таким образом, мембранные модули, которые традиционно используются на завершающих ступенях очистки, требуют обеспечения бактериостатических условий для своего функционирования, поскольку мембрана может подвергаться риску неконтролируемого бактериального зарастания и проникновения бактериальных клеток в заполненное жидкостью постмембранное пространство, которое в этом случае становится источником вторичного бактериального загрязнения.
Традиционным режимом работы систем бытовой водоочистки является периодический режим, когда фазы работы установки для очистки жидкости чередуются с фазами перерыва в фильтрации (простоя), причем продолжительность активной фазы работы установки значительно уступает продолжительности фазы простоя. В случае продолжительных перерывов в фильтрации жидкости возникают благоприятные условия для роста и размножения бактерий благодаря отсутствию фона антибактериальных агентов. При этом особой опасности бактериальной контаминации подвергается мембрана и постмембранное пространство. В силу конструктивных особенностей водоочистителей, имеющих в своем составе мембранные модули, постмембранное пространство на стороне очищенной воды всегда имеет определенный небольшой свободный объем, в котором возможно нежелательное и неконтролируемое размножение бактерий при их попадании в этот объем. При особо неблагоприятных условиях возможно даже образование биофильма на поверхности мембраны и всех ограничивающих поверхностях.
Из уровня техники известно устройство по патенту РФ №2190573 (опубл. 10.10.2002 г., C02F 1/467) для обработки водных растворов ионами металлов и приготовления бактерицидных растворов, состоящее из двух электродов, выполненных из металлов с различными электрохимическими потенциалами, в котором образование бактерицидно-активных ионов металла происходит за счет образования гальванической пары и преимущественного электрохимического растворения более активного металла без источника питания. Недостатком данного устройства является принципиальная невозможность регулирования концентрации ионов металла в растворе, которая может варьироваться в широких пределах в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала воды, времени обработки и т.д.
В соответствии с патентом РФ №2217386 (опубл. 27.11.2003 г., C02F 1/467) известен способ обеззараживания воды и устройство для его осуществления, в котором электролитическое дозирование серебра осуществляется по сигналу от датчика электропроводности. Недостатком данного изобретения является невозможность точного дозирования бактерицидных ионов из-за нестационарности процесса электролитического обогащения серебром, параметры которого определяются, например, скоростью фильтрации, которые приведенный способ и устройство не учитывают в своей работе, Кроме того, приведенная в описании изобретения компактная электрометрическая схема при рекомендуемых санитарных нормах на концентрацию ионов серебра не способна обеспечить точную оценку концентрации ионов, выделенных в результате электролиза.
В соответствии с заявкой KR 20040083574 (опубл. 06.10.2004 г., B01D 65/02, 65/00) предложен половолоконный мембранный фильтр, обеспечивающий защиту от биологического обрастания мембраны с использованием мешочка с твердым антибактериальным компонентом. Недостатком данного изобретения является невозможность контроля концентрации бактерицидного компонента и нестабильность его выделения во времени.
В соответствии с заявкой KR 20040074362 (опубл. 25.08.2004 г., В01D 69/00) предложен половолоконный мембранный фильтр, бактерицидность которого достигается за счет введения твердых бактерицидных материалов внутрь полых волокон. Очевидным недостатком данного изобретения является резкое снижение проницаемости полых волокон за счет существенного уменьшения сечения и блокирования пор частицами антибактериальных материалов. Кроме того, не обеспечивается стабильного во времени выделения бактерицидных материалов в воду.
В патенте JP 8206467 (опубл. 13.08.1996 г., B01D 63/02, C02F 1/44, 1/50) описано применение серебросодержащего цеолита, внесенного в слой волокнистой структуры, находящейся на выходе мембранного модуля. К недостаткам данного изобретения можно отнести неравномерность выделения серебра из фазы цеолита со временем и повышение сопротивления потоку вследствие использования волокнистого слоя.
Наиболее близким аналогом устройства для очистки жидкости является патент JP 2007237164 (опубл. 20.09.2007, B01J 20/20, C02F 1/28, 1/44, 1/50), где описан модуль (устройство) к установке для очистки жидкости, в котором концентрация антибактериального агента может поддерживаться на заданном уровне в течение ресурса модуля, а именно периода использования фильтрационной среды, посредством которого ограничивается размножение бактерий. Техническое решение осуществляется при помощи оснащения модуля адсорбционной частью, половолоконным мембранным модулем и антибактериальной частью, которая расположена на выходе половолоконного мембранного модуля, и куда помещен антибактериальный материал, содержащий ионы металлов. Недостатком аналога является отсутствие возможности каким-либо образом контролировать концентрацию ионов металла в зависимости от свойств воды, ее солевого состава, температуры, что может привести как к недостаточному бактерицидному действию ионов металла в одних условиях, так и к выделению физиологически опасных концентраций в других условиях. Кроме того, в потоке воды будет также происходить неконтролируемое выделение ионов металла из антибактериального материала, что приводит к нерациональному использованию материала и значительному снижению ресурса устройства (прототип).
Наиболее близким аналогом установки для очистки жидкости является патент JP 2007167785 (опубл. 05.07.2007 г., B01D 29/11, C02F 1/28, 1/44, 1/46, 1/50), в котором описана установка для очистки жидкости, состоящая из блока предварительной очистки, блока мембранной очистки, блока электрохимического дозирования серебра, накопительного бака для очищенной жидкости, блока управления, датчика потока и источника питания. Продление срока службы нанофильтрационных или обратноосмотических мембран и предотвращение контаминации накопительного бака бактериями, при наличии блока предварительной очистки на основе активированного угля импрегнированного серебром, обеспечивается за счет установки на трубопроводе между мембранным модулем и накопительным баком блока электрохимического дозирования серебра, управляемого в соответствии с данными, получаемыми от датчика потока. Недостатком аналога является возможность использования устройства только в режиме потока, то есть только тогда, когда осуществляется фильтрация воды, что не дает возможности обработки поверхности самой мембраны бактерицидными ионами для предотвращения образования биопленки и приводит к малоэффективному и неэкономичному расходованию серебра, поскольку вся профильтрованная вода насыщается ионами серебра. Кроме того, достижение бактерицидно-активных концентраций ионов серебра требует высокого расхода материала электрода (прототип).
Анализ современного уровня техники показывает, что известные технические решения не обеспечивают удобной и эффективной (экономичной) эксплуатации устройств очистки питьевой воды, позволяющих не допускать размножения бактерий в объеме пространства после фильтрационной мембраны.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Общей задачей группы изобретений и требуемым техническим результатом, достигаемым при использовании группы изобретений, является разработка нового устройства для очистки жидкости, установки для очистки жидкости, в частности питьевой воды, и продление срока эксплуатации, используемых в устройстве и установке мембранных фильтрующих элементов или мембраны.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании группы изобретений достигается тем, что устройство для очистки жидкости (вариант 1), включающее мембрану в корпусе, отделяющую пространство до мембраны с неочищенной жидкостью от постмембранного пространства с очищенной жидкостью, и снабженное по меньшей мере одним средством дозирования обеззараживающего агента, согласно изобретению в качестве средства дозирования используют электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента в постмембранное пространство с очищенной или/и пространство до мембраны с неочищенной жидкостью в непроточном (статическом) режиме, причем электроды электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента частично размещены в постмембранном пространстве с очищенной или/и пространстве до мембраны с неочищенной жидкостью, где максимальная часть электродов размещена в постмембранном пространстве с очищенной или/и пространстве до мембраны с неочищенной жидкостью, и тем, что электроды размещены в объеме постмембранного пространства, а именно в корпусе устройства или во фланце корпуса устройства, и тем, что как минимум один электрод размещен в пространстве перед мембраной и как минимум один - в объеме, непосредственно примыкающем к мембране постмембранного пространства, при этом как минимум один электрод размещен в пространстве перед мембраной, а именно в корпусе устройства, и как минимум один - в объеме, непосредственно примыкающем к мембране постмембранного пространства, а именно в корпусе устройства или во фланце корпуса устройства, и тем, что электроды выполнены из серебра, меди, цинка и других металлов, обладающих бактерицидными свойствами, или их сплавов, и тем, что устройство дополнительно снабжено нагревательным элементом, а в его корпусе дополнительно размещен угольный фильтрующий элемент, причем мембрана дополнительно заключена в отдельный мембранный корпус, и тем, что электроды размещены в корпусе мембраны, при этом максимальная часть электродов размещена в постмембранном пространстве с очищенной жидкостью или и пространстве до мембраны с неочищенной жидкостью.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании группы изобретений также достигаются тем, что устройство для очистки жидкости (вариант 2), включающее мембрану в корпусе, отделяющую пространство до мембраны с неочищенной жидкостью от постмембранного пространства с очищенной жидкостью, и снабженное по меньшей мере одним средством дозирования обеззараживающего агента, согласно изобретению в качестве средства дозирования используют электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента в постмембранное пространство с очищенной или/и пространство до мембраны с неочищенной жидкостью в непроточном (статическом) режиме, причем электроды электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента частично размещены в постмембранном пространстве с очищенной или/и пространстве до мембраны с неочищенной жидкостью, при этом в корпусе устройства дополнительно размещен угольный фильтрующий элемент, и тем, что мембрана дополнительно заключена в отдельный мембранный корпус, и тем, что максимальная часть электродов размещена в постмембранном пространстве с очищенной или/и пространстве до мембраны с неочищенной жидкостью, и тем, что электроды размещены в объеме постмембранного пространства, а именно в корпусе устройства или во фланце корпуса устройства, и тем, что как минимум один электрод размещен в пространстве перед мембраной, и как минимум один - в объеме, непосредственно примыкающем к мембране постмембранного пространства, при этом как минимум один электрод размещен в пространстве перед мембраной, а именно в корпусе устройства или в корпусе мембраны, и как минимум один - в объеме, непосредственно примыкающем к мембране постмембранного пространства, а именно во фланце корпуса устройства, и тем, что электроды размещены в корпусе мембраны, при этом максимальная часть электродов размещена в постмембранном пространстве с очищенной жидкостью или и пространстве до мембраны с неочищенной жидкостью, и тем, что электроды выполнены из серебра, меди, цинка и других металлов, обладающих бактерицидными свойствами, или их сплавов, и тем, что устройство дополнительно снабжено нагревательным элементом.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании группы изобретений также достигаются тем, что установка для очистки жидкости (вариант 1), включающая блок мембранной очистки, электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента, блок управления, средство подачи сигнала на блок управления и источник питания, согласно изобретению в качестве блока мембранной очистки используют устройство для очистки жидкости, выполненное по варианту 1, выход которого соединен с входом средства подачи сигнала на блок управления, при этом выход электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента соединен с входом блока управления, выполненного с возможностью задания последовательности и временных режимов работы электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента в непроточном (стационарном) режиме, выход блока управления соединен с входом источника питания, а блок управления и средство подачи сигнала на блок управления соединены между собой, и тем, что средство подачи сигнала на блок управления используют в качестве средства подачи сигнала на блок управления об отсутствии потока жидкости в установке, при этом блок управления выполнен с возможностью задания временных режимов работы электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента в зависимости от электропроводности жидкости, и с дополнительной возможностью периодически изменять полярность электрического тока (напряжения), подаваемого на электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента, и тем, что электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента используют дополнительно в проточном режиме (режиме фильтрации жидкости), при этом установка дополнительно снабжена датчиком расхода жидкости.
Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании группы изобретений также достигаются тем, что установка для очистки жидкости (вариант 2), включающая блок мембранной очистки, электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента, блок управления, средство подачи сигнала на блок управления и источник питания, согласно изобретению в качестве блока мембранной очистки используют устройство для очистки жидкости, выполненное по варианту 2, выход которого соединен с входом средства подачи сигнала на блок управления, при этом выход электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента соединен с входом блока управления, выполненного с возможностью задания последовательности и временных режимов работы электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента в непроточном (стационарном) режиме, выход блока управления соединен с входом источника питания, а блок управления и средство подачи сигнала на блок управления соединены между собой, и тем, что средство подачи сигнала на блок управления используют в качестве средства подачи сигнала на блок управления об отсутствии потока жидкости в установке, при этом блок управления выполнен с возможностью задания временных режимов работы электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента в зависимости от электропроводности жидкости, и с дополнительной возможностью периодически изменять полярность электрического тока, подаваемого на электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента, и тем, что электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента используют дополнительно в проточном режиме (режиме фильтрации жидкости), при этом установка дополнительно снабжена датчиком расхода жидкости.
В устройстве для очистки жидкости, выполненном по первому и второму вариантам, в качестве мембранного фильтрующего элемента возможно использование микрофильтрационных, ультрафильтрационных, нанофильтрационных и обратноосмотических мембран, что позволяет применять устройство для очистки жидкости в соответствующих мембранных установках, а также в мембранных системах очистки жидкости.
Отличительной особенностью заявляемой группы изобретений является обеспечение предотвращения роста и размножения бактерий на поверхности мембраны, за счет того, что новое устройство для очистки жидкости снабжено электрохимическим средством контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента, выполненным с возможностью создания высоких действующих концентраций ионов металлов, обладающих бактерицидной и бактериостатической активностью, в ограниченном малом объеме, непосредственно примыкающем к мембране на стороне очищенной или/и неочищенной жидкости, путем контролируемого электрохимического растворения электродов, изготовленных из соответствующих металлов или их сплавов. Поскольку устройство для очистки жидкости, в сравнении с ближайшим аналогом, выполнено таким образом, что стабильное и контролируемое электрохимическое растворение ионов металла осуществляется дозированно в ограниченную незначительным объемом область пространства в момент продолжительного прекращения фильтрации, то крайне незначительных количеств ионов металла электрода достаточно для подавления развития и формирования на поверхности используемых мембран бактерий и биологических пленок, что дает возможность рационально использовать сами электроды и экономично расходовать материал, из которого они изготовлены, что, в свою очередь, позволяет продлить срок эксплуатации мембранного фильтрующего элемента и значительно увеличить ресурс самого устройства. Также отличительной особенностью заявляемой группы изобретений является обеспечение возможности обработки поверхности самой мембраны бактерицидными ионами для предотвращения ее бактерицидного обрастания, за счет того, что новая установка, в отличие от прототипа, выполнена с возможностью использования устройства для очистки жидкости, в частности электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента, в режиме отсутствия потока жидкости в установке, когда фильтрация воды не осуществляется, что, в свою очередь, также позволяет продлить срок эксплуатации используемых в устройстве и установке мембранных фильтрующих элементов или мембраны и угольного элемента, например карбонблока.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность группы изобретений поясняется чертежами. На Фиг.1 изображен общий вид устройства для очистки жидкости (электроды электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента расположены во фланце корпуса устройства).
На Фиг.2 изображено устройство для очистки жидкости, включающее, наряду с мембраной, угольный фильтрующий элемент (электроды электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента расположены во фланце корпуса устройства).
На Фиг.3 изображена верхняя часть устройства для очистки жидкости, где один из электродов электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента расположен в корпусе мембраны, а второй во фланце корпуса устройства.
На Фиг.4 изображена верхняя часть устройства для очистки жидкости с нагревательным элементом, встроенным во фланец корпуса устройства (электроды электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента расположены во фланце корпуса устройства).
На Фиг.5 изображена общая схема конструкции электрохимической ячейки.
На Фиг.6 изображена общая схема установки для очистки жидкости.
На Фиг.7 изображена схема установки с дополнительным нагревательным элементом в устройстве для очистки жидкости.
На Фиг.8 изображена схема установки с датчиком расхода жидкости.
На Фиг.9 изображена схема установки с блоком предварительной очистки.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По первому варианту устройство для очистки жидкости состоит из корпуса 1, мембранного фильтрующего элемента 2, электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3, состоящего как минимум из двух электродов 4 из металлов, например в виде электрохимической ячейки, и фланца 5 корпуса устройства (Фиг.1). Мембрана 2 размещена непосредственно в корпусе 1 устройства.
По второму варианту устройство для очистки жидкости состоит из корпуса 1, мембранного фильтрующего элемента 2, электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3, состоящего как минимум из двух электродов 4 из металлов, например, в виде электрохимической ячейки, фланца 5 корпуса устройства, угольного фильтрующего элемента 6 и корпуса 7 мембраны (Фиг.2). Мембрана 2 дополнительно заключена в отдельный мембранный корпус 7. Угольный фильтрующий элемент 6 может быть выполнен, например, в виде карбонблока.
По первому и второму вариантам мембранный фильтрующий элемент 2 представляет собой плоскую, трубчатую или половолоконную микрофильтрационную, обратноосмотическую, ультрафильтрационную или нанофильтрационную мембрану. Устройство по первому и второму вариантам снабжено электрохимическим средством контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3, состоящим как минимум из двух электродов 4 из металлов, образующих при электролизе катионы с бактерицидным эффектом, например, в виде электрохимической ячейки. Схема конструкции электрохимической ячейки 3 приведена на Фиг.5. Электрохимическая ячейка 3 состоит из электродов 4, встроенных в токонепроводящий корпус 8, токоподводов 9 и защитной оболочки 10.
В качестве корпуса 8 может быть использована, например, втулка, выполненная из полистирола. В общем случае, электроды могут не иметь втулки, в которую они вставлены, а быть вмонтированы, например, при отливке пластмассы во фланец корпуса устройства, который также для электродов будет являться токонепроводящим корпусом. Электроды 4 могут быть изготовлены в виде проволоки d=1 мм из различных металлов (или их сплавов), ионы которых обладают бактерицидным действием, например серебра, меди, цинка и других, в частности, дополнительного синергического эффекта можно достичь в том случае, если ионы этих металлов обладают различным механизмом действия на бактериальные клетки (например, серебро и медь). Токоподводы 9 могут быть изготовлены из подходящего металла, например из медной проволоки d=0.5 мм. Защитная оболочка 10, герметизирующая конструкцию и место спая электродов 4 и токоподводов 9, представляет собой полимерный материал, выполненный, например, из эпоксидного компаунда холодного отверждения. В общем случае защитная оболочка 10 может быть выполнена в виде трубки, изоляционной склейки или ленты.
Электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 конструктивно выполнено таким образом, что минимальная часть электродов имеет защитную оболочку 10 и не контактирует с жидкостью. В минимальной части электродов 4, изолированно от контакта с жидкостью, находится место спая или сварки электродов 4 с токоподводом 9. Место спая или сварки электродов 4 с токопроводом 9 загерметизированно защитной оболочкой 10. Соответственно, максимальная часть электродов размещена в постмембранном пространстве с очищенной или/и пространстве до мембраны с неочищенной жидкостью. При этом максимальная часть электродов 4 способна непосредственно контактировать с жидкостью, что позволяет эффективно использовать площадь рабочей поверхности электродов и экономично расходовать материал электродов, тем самым способствуя продлению срока эксплуатации используемых в устройстве мембранных или мембранных и угольных фильтрующих элементов.
Электроды 4 электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3, в зависимости от особенностей конструкции и геометрии устройства для очистки жидкости, могут быть размещены как в пространстве после мембраны, так и в пространствах до и после мембраны, в непосредственной близости от нее. Пространством до мембраны является пространство, расположенное с внешней стороны от стенки мембраны. Постмембранным пространством является пространство, расположенное с внутренней стороны от стенки мембраны. Таким образом, жидкость, находящаяся в контакте с внешней поверхностью стенки мембраны, т.е. не прошедшая фильтрацию, находится в пространстве до мембраны, а жидкость, находящаяся в контакте с внутренней поверхностью стенки мембраны, т.е. прошедшая фильтрацию, находится в постмембранном пространстве.
При размещении электродов 4 электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 в пространстве после мембраны 2 по первому и второму вариантам они могут быть расположены во фланце 5 корпуса 1 устройства (Фиг.1, 2) или корпусе 1 устройства (на чертежах не показано), а также в корпусе 7 мембраны 2 (на чертежах не показано). В данном случае транспорт ионов металла к поверхности мембраны 2, приводящий к бактериостатическому эффекту будет осуществляться только за счет диффузионного механизма.
При размещении как минимум одного электрода 4 лектрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 в пространстве перед мембраной 2 и как минимум одного - в объеме, непосредственно примыкающем к мембране 2 постмембранного пространства, появляется возможность осуществлять, помимо диффузионного, также принудительный транспорт ионов металла через фазу мембраны 2 за счет их миграции в электрическом поле. Это позволяет повысить эффективность процесса бактерицидной обработки мембраны 2, предотвратить образование биологической пленки на ее поверхности и, тем самым, повысить срок эксплуатации мембраны 2.
По обоим вариантам, один электрод 4 может быть размещен в пространстве перед мембраной 2, а именно в корпусе 1 устройства, а другой - в объеме, непосредственно примыкающем к мембране 2 постмембранного пространства, а именно во фланце 5 корпуса 1 устройства (на чертежах не показано).
По первому варианту один электрод 4 может быть размещен в пространстве перед мембраной 2, а именно в корпусе 1 устройства, а другой - в объеме, непосредственно примыкающем к мембране 2 постмембранного пространства, а именно в корпусе 1 устройства (на чертежах не показано).
По второму варианту один электрод 4 может быть размещен в пространстве перед мембраной 2, а именно, в корпусе 7 мембраны 2, а другой - в объеме, непосредственно примыкающем к мембране 2 постмембранного пространства, а именно во фланце 5 корпуса 1 устройства (Фиг.3).
Устройство для очистки жидкости по любому из вариантов дополнительно может содержать нагревательный элемент 11, который, например, может быть встроен во фланец 5 корпуса 1 устройства (Фиг.4), корпус 7 или корпус 1 устройства (на чертежах не показано). Повышение температуры, производимое нагревательным элементом 11, приводит к повышению проницаемости бактериальных клеточных мембран и к повышению подвижности катионов за счет диффузии. Кроме того, значительное повышение температуры само по себе вызывает денатурацию белков и гибель бактерий. При этом нагрев небольшого объема воды не приводит к сколько-нибудь ощутимому повышению температуры во всем объеме фильтрующего устройства, т.е. не влияет на фильтрующие свойства устройства в целом. Нагрев воды в объеме постмембранного пространства может быть осуществлен, например, размещением в постмембранном пространстве нагревателя сопротивления (ТЭН), предназначенного для подсоединения к блоку управления.
Принцип работы устройства для очистки жидкости, содержащего электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента, заключается в осуществлении контролируемой электрохимической реакции растворения анода, выполненного из соответствующего металла. Это возможно благодаря тому, что количество ионов, переходящих в раствор при протекании электрохимической реакции растворения металлического анода, однозначно связано, в соответствии с Первым законом Фарадея, с силой тока и временем электролиза, и за счет поддержания, например при помощи блока управления, определенной силы тока в течение определенного промежутка времени можно добиться получения в заданном малом объеме пространства с жидкостью целевых бактерицидно-активных концентраций ионов металла.
- Первый закон Фарадея,
металла
где m - масса металла, перешедшего в раствор в виде ионов,
k - электрохимический эквивалент металла [г/Кл]
,
I - сила тока [А],
t - время электролиза [с],
М - молярная масса металла [г/моль],
n - число электронов, участвующих в электрохимической реакции,
F - постоянная Фарадея (96490 Кл/моль).
Для каждой конкретной конфигурации электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента определение необходимой продолжительности электролиза при фиксированной силе тока можно проводить экспериментальным подбором параметров.
При этом процесс электролиза можно проводить в статическом режиме при отсутствии процесса фильтрации, а можно в динамическом - в поток воды. Так как при отсутствии фильтрации дозирование ионов металла осуществляется в ограниченную незначительным объемом область пространства, возможно создание высоких концентраций бактерицидно-активных ионов металла за счет электрохимического растворения крайне незначительных количеств металла, что обеспечивает, во-первых, повышенную экономичность процесса, а во-вторых, создаваемая в статических условиях высокая действующая концентрация при возобновлении фильтрации подвергается практически моментальному многократному разбавлению, и концентрация ионов металла в точке отбора очищенной воды не будет превышать нормативных показателей.
Установка для очистки жидкости состоит из следующих элементов: блока мембранной очистки 12, электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 (например, электрохимическая ячейка), блока управления 13, средства подачи сигнала 14 на блок управления 13 и источника питания 15 (Фиг.6).
По первому варианту установки для очистки жидкости в качестве блока мембранной очистки 12 используют согласно изобретению устройство, выполненное по первому варианту.
По второму варианту установки для очистки жидкости в качестве блока мембранной очистки 12 используют согласно изобретению устройство, выполненное по второму варианту.
Блок мембранной очистки 12 снабжен электрохимическим средством контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3, например, в виде электрохимической ячейки, состоящей как минимум из двух электродов из металлов и выполненной с возможностью создания высоких действующих концентраций ионов металлов, обладающих бактерицидной и бактериостатической активностью, в ограниченном малом объеме, непосредственно примыкающем к мембране. Электроды электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3, в зависимости от особенностей конструкции и геометрии блока мембранной очистки 12, могут быть размещены как в пространстве после мембраны, так и в пространствах до и после мембраны, в непосредственной близости от нее, например во фланце корпуса устройства, как изображено на Фиг.1, или же один электрод во фланце, а другой в корпусе мембраны, как изображено на Фиг.3. При этом могут быть установлены одновременно несколько электродов. Также электроды могут быть дополнительно встроены в элементы, являющиеся частью установки, например в быстроразъемное соединение типа JG (на чертежах не показано) или коллектор (на чертежах не показано), которые могут располагаться как со стороны неочищенной жидкости в пространстве до мембраны, так и со стороны очищенной жидкости в постмембранном пространстве, что также будет способствовать продлению срока эксплуатации используемых в устройстве и установке мембранных фильтрующих элементов или мембраны.
Выход блока мембранной очистки 12 соединен со средством подачи сигнала 14 на блок управления 13 об отсутствии потока жидкости в установке. В качестве средства подачи сигнала 14 на блок управления 13 используется, например, датчик или измерительный преобразователь. Средство подачи сигнала 14 на блок управления 13 и блок управления 13 соединены между собой. Вход блока управления 13 соединен с электродами электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3, а управляющий выход с источником питания 15. Блок управления 13 выполнен с возможностью задания временных режимов работы электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 в зависимости от электропроводности жидкости в блоке мембранной очистки 12, причем в данном случае электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 возможно использовать в качестве электрометрического датчика электропроводности воды (сервисная функция).
Блок управления 13 также выполнен с дополнительной возможностью периодически изменять полярность сигналов, подаваемых на электроды электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 от источника питания 15 для равномерного растворения электродов, что позволяет достичь экономичного расхода материала электродов.
В частном случае выполнения установки, она содержит блок мембранной очистки 12 с дополнительным нагревательным элементом 11, который соединен с источником питания 15 через блок управления 13 (Фиг.7).
В частном случае, в установке для очистки жидкости электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 используют дополнительно в проточном режиме (режиме фильтрации жидкости), при этом установка дополнительно снабжена датчиком расхода жидкости 16, установленным на магистрали чистой воды. Датчик расхода жидкости 16 подсоединен к источнику питания 15 через блок управления 13 (Фиг.8).
В частном случае выполнения установки она дополнительно содержит блок предварительной очистки 17, установленный на магистрали неочищенной воды перед блоком мембранной очистки 12 таким образом, что выход блока предварительной очистки 17 соединен с входом блока мембранной очистки 12 (Фиг.9). Блок предварительной очистки 17 представляет из себя один или несколько последовательно установленных блоков, обеспечивающих перед поступлением жидкости в мембранный блок 12 очистку воды от механических примесей, коллоидных частиц, растворенных органических и неорганических веществ.
Функционирование установки для очистки жидкости включает в себя следующие основные стадии: мембранная очистка от коллоидных частиц, бактерий, цист и проч., и обеззараживание поверхности мембраны путем управляемого дозирования бактерицидных ионов металлов в пространство, непосредственно примыкающее к мембране в непроточном (стационарном) режиме. Кроме того, создаваемая в статических условиях высокая действующая концентрация ионов металла при возобновлении фильтрации жидкости подвергается практически моментальному многократному разбавлению. В результате концентрация обеззараживающего агента на выходе из установки не превышает нормативных показателей.
Контролируемое дозирование, например, осуществляется при помощи программируемого микроконтроллера, расположенного в блоке управления 13, а регулировка растворения электродов - при помощи алгоритмов обратной связи, использующих кондуктометрические, турбодиметрические, фотометрические и иные датчики или средства, преобразующие величину потока воды в сигнал для передачи на блок управления 13, который обеспечивает необходимый режим функционирования электрохимической ячейки 3.
Поскольку количество переходящих в раствор ионов металла непосредственно связано в соответствии с законом Фарадея с количеством электричества, прошедшего через электродную систему, можно осуществлять контроль за электрохимическим процессом растворения металла анода посредством блока управления 13, способного стабилизировать величину тока при различной электропроводности воды.
Действие выделенных в результате электрохимической реакции бактерицидно-активных ионов металлов в пространство, непосредственно примыкающее к мембране, также может быть дополнительно усилено повышением температуры воды в ограниченном объеме пространства жидкости в режиме простоя (отсутствия фильтрации) до 50-80°С за счет нагрева электрическим током через дополнительную (не связанную с электрохимической ячейкой) цепь сопротивления - нагревательный элемент 11 (Фиг.7). Повышение температуры приводит к повышению проницаемости бактериальных клеточных мембран и к повышению подвижности катионов за счет диффузии, т.е. к повышению эффективности бактерицидного действия катионов. Кроме того, значительное повышение температуры само по себе вызывает денатурацию белков и гибель бактерий. При этом нагрев небольшого объема воды не приводит к сколько-нибудь ощутимому повышению температуры во всем объеме блока мембранной очистки 12, т.е. не влияет на фильтрующие свойства установки в целом.
При работе электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента в динамическом режиме, т.е. в процессе фильтрации жидкости, установка дополнительно содержит датчик расхода жидкости 16 (Фиг.8), установленный на магистрали очищенной воды и подсоединенный к блоку управления 13. Датчик расхода жидкости 16 выполнен с возможностью регулирования силы тока электролиза в мембранном блоке 12 в зависимости от величины объемного расхода воды. Это возможно за счет того, что величина концентрации ионов металла при электрохимическом контролируемом дозировании в поток непосредственно связана с параметрами электрохимической реакции следующим соотношением:
,
где m - масса металла, перешедшего в раствор в виде ионов,
k - электрохимический эквивалент металла [г/кл]
,
I - сила тока [A], t - время электролиза [с],
F - величина потока жидкости [л/с].
Электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 работает в режиме регулирования тока растворения материала анода. Средство 3 может функционировать, например, под управлением программируемого микроконтроллера (расположенного в блоке управления 13), который, руководствуясь информацией от датчика расхода воды 16, будет посылать на него сигнал. В данном случае электрохимическое средство контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента 3 будет работать как ионатор, дополнительно обогащающий воду ионами металлов, обладающих бактерицидными и бактериостатическими свойствами.
Использование устройства для очистки жидкости, в частности в установках для очистки жидкости, позволяет продлить срок эксплуатации мембранных фильтрующих элементов или мембраны благодаря наличию электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента, расположенного непосредственно в устройстве, где электроды электрохимического средства контролируемого во времени дозирования ионов обеззараживающего агента выполнены с возможностью создания высоких действующих концентраций ионов металлов, обладающих бактерицидной и бактериостатической активностью, в ограниченно малом объеме пространства, непосредственно примыкающего к мембране, путем контролируемого электрохимического растворения электродов, изготовленных из соответствующих металлов или их сплавов. Кроме того, создаваемая в статических условиях высокая действующая концентрация ионов металла при возобновлении фильтрации жидкости подвергается практически моментальному многократному разбавлению. В результате концентрация обеззараживающего агента на выходе из мембранной установки не превышает нормативных показателей.
Устройство для очистки жидкости может применяться, например, в микрофильтрационных, ультрафильтрационных, нанофильтрационных и обратноосмотических установках и системах очистки питьевой воды в совокупности с блоками предварительной и тонкой очистки или без таковых.
Установка для очистки жидкости может быть выполнена в различных вариантах исполнения, в том числе включать дополнительные блоки как до, так и после блока мембранной очистки, например, блоки фильтрации механических частиц и взвесей, сорбционной очистки, ионообменные, минерализующие, с возможностью дозирования реагентов и коагулянтов, в том числе электрохимического или/и контролируемого, электрокоагуляционные, электродиализные, электролизные, блоки нагрева и охлаждения жидкости, флотационные, блоки аэрации, блоки ультрафиолетовой бактерицидной обработки и другие. В зависимости от модификации установки в качестве мембранного фильтрующего элемента могут применяться микрофильтрационные, ультрафильтрационные, нанофильтрационные, обратноосмотические мембранные элементы с накопительным баком для очищенной воды или без накопительного бака, в совокупности с дополнительными блоками или без таковых.
Данная группа изобретений не ограничена описанными вариантами осуществления, а наоборот она охватывает различные модификации и варианты в рамках сущности и объема предлагаемой формулы группы изобретений.