СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И КОНСЕРВАЦИИ ВОДЫ, А ТАКЖЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
WATER DECONTAMINATION AND PRESERVATION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к способу электрохимической очистки воды и может быть использовано для разработки и конструирования устройств электрохимической очистки питьевой воды для загородных дач, сельских домов, не имеющих подключения к водопроводу, но расположенных близко к небольшим открытым источникам стоячей пресной воды. Кроме того, способ может быть использован для снабжения водой населения во время катастроф путем очистки воды из близлежащих пресных источников, в том числе источников, непригодных для питья из-за обилия в них болезнетворных бактерий. Еще одним применением изобретения является дезинфекция воды в плавательных бассейнах после купания в них большого числа людей.
На сегодняшний день наиболее распространенным способом водоподготовки является хлорирование воды [1]. Достоинством хлорирования является дешевизна. Основным недостатком данного способа является то, что он не применим для обеззараживания стоячих талых и дождевых вод. Эти воды богаты органикой, которая, вступая в соединение с хлоратами, рекомендуемыми ГОСТ Р 53491.1-2009 [2], может образовывать ядовитые соединения. В случае хлорирования плавательных бассейнов попадание хлорированной воды в глаза купающимся приводит к их раздражению.
Известен способ озонирования воды [3]. Основными недостатками способа являются высокое энергопотребление и высокая дороговизна оборудования, а также низкая производительность. Обеззараживать озонированием питьевую воду в изолированно стоящих коттеджах и дачах, не имеющих подключения к водопроводу, дорого.
Известен способ электрохимической очистки питьевой воды [4], в соответствии с которым пропускают ток через очищаемую воду и механически снимают с электродов образующийся коагулянт. Основным недостатком способа является его низкая энергоэффективность. Низкая энергоэффективность связана с тем, что очистка ведется на фоне электролиза воды. Нагрев воды и ее электролиз потребляют основную энергию. Кроме того, выделение при электролизе гремучего газа приводит к появлению угрозы его взрыва. Все это препятствует широкому применению электролиза воды для ее очистки в плавательных бассейнах и отдельно стоящих домах, не подключенных к водопроводу.
Целью данного изобретения является снижение энергозатрат при дезинфекции и консервация воды, полученной путем сбора естественных осадков воды, попадающих на крышу дома, а также скапливающихся в естественных понижениях почвы и искусственно созданных бассейнах для сбора дождевой и талой воды. Кроме того, целью изобретения является снижение хлорсодержания воды в плавательных бассейнах при сохранении высокого уровня обеззараживания воды в них.
Поставленная цель достигается тем, что воду обрабатывают, пропуская через нее электрический ток, электролиз воды ведут на низких напряжениях меньших, чем напряжение выделения кислорода и водорода, при этом используют анод и катод с большой площадью поверхности, получая тем самым ионистор. То есть обработку воды ведут путем заполнения ею пористых полостей анода и катода ионистора. Обеззараживаемую воду закачивают в полости пористого анода и пористого катода, при этом после заполнения объемов пористого анода и пористого катода создают между этими объемами воды соляной мостик, в результате создания соляного мостика получают так называемый ионистор [5] или суперконденсатор.
Далее по заявленному способу заряжают анод и катод до напряжения меньшего напряжения выделения на электродах кислорода и водорода. После зарядки до заданного значения напряжения прерывают зарядку ионистора, отключая ионную связь между заполненными водой объемами пористых электродов ионистора, например, путем сливания части воды из этих объемов или путем перекрывания связывающего водные объемы пористых электродов отверстия пробкой из диэлектрика. После этого разряжают заряды, накопленные на пористых аноде и катоде, например, подключая какую-либо нагрузку к аноду и катоду. После разрядки электрических зарядов, накопленных на аноде и катоде, сливают воду из объемов анода и катода в баки для хранения католита и анолита, далее хранят воду в разных баках, в одном баке хранят щелочную воду (католит), а в другом баке хранят кислую воду (анолит), перед использованием нейтрализуют кислую и щелочную фракции воды путем их смешивания. Описанный выше процесс повторяют до момента обработки имеющихся запасов имеющейся воды (собранной после дождя или таяния снега) или до момента заполнения баков для хранения анолита и католита.
Положительный эффект от предложенного способа состоит в обеззараживании воды путем ее разделения на щелочную фракцию (католит) и кислую фракцию (анолит). Бактерии, грибки, водоросли, планктон живут в нейтральной воде. После того как вода стала кислой или щелочной, живые организмы умирают, кроме того, происходит коагуляция мертвой органики, умершие микроорганизмы организмы выпадают в баках хранения кислой и щелочной фракции воды в виде осадка, который может быть удален из баков. В связи с тем, что в кислой и щелочной среде живые организмы (бактерии, грибки, водоросли, планктон) не способны жить, вода в баках анолита и католита может храниться длительные сроки. То есть достигается эффект не только обеззараживания воды, но и эффект ее консервации.
Достоинством предложенного способа является то, что значительная часть энергии, идущая на разложение воды до водорода и кислорода, не расходуется, электролиз по предложенному способу идет в динамическом режиме без выделения кислорода и водорода на электродах.
Еще большего сокращения энергозатрат удается достичь, реализуя совместно п. 1 и п. 2 формулы изобретения. По п. 2 формулы изобретения во время разряда напряжения ионистора накапливают энергию во внешнем устройстве, например в обычном аккумуляторе, далее используют накопленную энергию в следующем цикле обеззараживания следующей порции загрязненной воды. При этом происходит сокращение потребляемой на обеззараживание энергии, коэффициент полезного действия в этом случае определяется внутренними потерями на перекачку энергии, запасенной в пористых электродах ионистора во внутреннюю энергию аккумулятора. Ожидается сокращение энергозатрат более чем на 50%.
Устройство для реализации предложенного способа состоит из корпуса ионистора, двух баков для хранения анолита и католита, датчика уровня воды в анодной и катодной емкостях ионистора, коммутатора, источника напряжения, накопителя электроэнергии, соединительных шлангов, вентилей, устройства управления, преобразователя напряжения, преобразователя тока. Корпус ионистора выполнен в виде емкости, разделенной пополам герметичной перегородкой, корпус и перегородка выполнены из диэлектрика. В верхней части герметичной перегородки корпуса ионистора имеется сквозное отверстие, соединяющее между собой два одинаковых объема катода и анода ионистора.
Внешний источник воды соединен с внутренним объемом ионистора шлангом с врезанным в него входным вентилем. Катод и анод ионистора выполнены в виде проводящей ленты или проволоки, например, из нержавеющей стали, заполняющей хаотично изолированные объемы катода и анода, кроме того, в емкости катода и анода засыпан проводящий порошок, имеющий большую внутреннюю поверхность и занимающий объемы пористого анода и пористого катода. В качестве проводящего порошка может быть использован угольный порошок, однако может быть использован и любой иной более дорогой проводящий порошок, например порошок из инертных металлов. На корпусе ионистора внутри объема ионистора на уровне сообщающего объемы анода и катода отверстия размещен датчик уровня воды. К аноду и катоду параллельно подключен преобразователь напряжения, вход преобразователя напряжения в код подключен к входу устройства управления. В цепь одного из электродов (анода или катода) до коммутатора подключен преобразователь тока в код, выход которого подключен ко входу устройства управления.
В нижней части корпуса ионистора в емкости анода и емкости катода имеются два сливных отверстия, к которым подключены сливные шланги со сливным вентилем, сливные шланги выполнены из диэлектрика. Сливной шланг катода ионистора подключен к баку хранения католита, сливной шланг анода ионистора подключен к баку для хранения анолита. В нижней части бака для хранения католита выполнено сливное отверстие, куда подключен сливной шланг с врезанным в него сливным вентилем. В нижней части бака для хранения анолита выполнено сливное отверстие, куда подключен сливной шланг с врезанным в него сливным вентилем. Сливные шланги бака хранения анолита и бака хранения католита объединены между собой ниже сливных вентилей.
Катод и анод ионистора подключены через коммутатор к источнику постоянного напряжения, к входам накопителя электроэнергии, а также к выходам накопителя электроэнергии. Управляющий вход входного вентиля входного шланга ионистора подключен к выходу устройства управления, выход датчика уровня жидкости в ионисторе подключен ко входу устройства управления, вход управления коммутатора соединен со вторым выходом устройства управления. Входы управления вентилей сливных шлангов анодной и катодной емкостей ионистора соединены с третьим выходом устройства управления.
Блок-схема устройства для реализации способа по пп. 1, 2 формулы изобретения приведена на фигуре 1, где использованы следующие обозначения: корпус ионистра - 1, пористый катод - 2, пористый анод - 3, входной вентиль - 4, сливной вентиль катодной полости - 5, сливной вентиль анодной полости - 6, бак для сбора и хранения католита - 7, бак для сбора и хранения анолита - 8, отверстие связи полости катода и анода - 9 (являющееся соляным мостиком, проводящим ионы), датчик уровня воды в полостях ионистора - 10, коммутатор - 11, источник постоянного напряжения - 12, накопитель электроэнергии - 13, устройство управления - 14, преобразователь тока - 15, преобразователь напряжения - 16, сливной вентиль бака с католитом - 17, сливной вентиль бака с анолитом - 18.
Корпус ионистора - 1 выполнен из диэлектрика и имеет две камеры одинакового объема, соединенные между собой отверстием - 9 в верхней части перегородки между этими объемами. В одном из объемов корпуса - 1 размещен катод - 2, выполненный из металлической ленты (металлической проволоки), размещенной хаотически в объеме камеры катода, кроме того, в катодную камеру засыпан угольный порошок, обладающий большой поверхностью, хорошей проводимостью при низкой стоимости. Во втором объеме корпуса - 1 размещен анод - 3, выполненный из металлической ленты (металлической проволоки), размещенной хаотически в объеме камеры анода, кроме того, в анодную камеру засыпан угольный порошок, обладающий большой поверхностью и хорошей проводимостью.
В верхней части корпуса - 1 с внутренней стороны на уровне отверстия - 9 сообщения анодной и катодной областей размещен датчик уровня воды, выход которого соединен с выходом устройства управления - 14. Корпус - 1 имеет негерметичную крышку с отверстием, в которое вставлен входной шланг подачи воды от внешнего источника, в шланг врезан входной вертиль - 4. Вход управления входного вентиля - 4 соединен с выходом устройства управления - 14. Параллельно катоду - 2 и аноду - 3 подключены входы преобразователя напряжения в код - 16, выход преобразователя - 16 подключен ко входу устройства управления - 14. Между катодом - 2 и коммутатором - 11 последовательно включен преобразователь тока в цифровой код - 15, выход преобразователя - 15 соединен со входом устройства управления - 14.
В нижней части корпуса - 1 в анодной и катодной камерах имеются сливные отверстия, в которые вставлены сливные шланги. Сливной шланг катодной камеры имеет врезанный в него сливной венить - 5 и соединен с крышкой бака сбора и хранения католита - 7. Сливной шланг анодной камеры имеет врезанный в него сливной венить - 6 и соединен с крышкой бака сбора и хранения анолита - 8. Входы управления сливного вентиля - 5 и сливного вентиля - 6 объединены и подключены к выходу управления устройства управления - 14.
Бак хранения католита - 7 в своей нижней части имеет сливное отверстие со сливным шлангом, этот сливной шланг имеет врезанный в него сливной вентиль - 17. Бак хранения анолита - 8 в своей нижней части имеет сливное отверстие со сливным шлангом, этот сливной шланг имеет врезанный в него сливной вентиль - 18. Сливные шланги бака - 7 и бака - 8 объединены ниже сливных вентилей 17 и 18 в выходной сливной шланг, являющийся выходом устройства, дающим обеззараженную воду. Управляющие входы (ручки управления) вентиля - 17 и вентиля - 18 объединены и выведены вне устройства для управления им потребителем, получающим обеззараженную воду.
Пористый катод - 2 и пористый анод - 3 подключены к коммутатору - 11. Также к коммутатору подключены выходы источника постоянного напряжения - 12 и входы накопителя электроэнергии - 13, кроме того, к коммутатору - 11 подключены выходы накопителя электроэнергии - 13. Вход коммутатора - 11 подключен к выходу устройства управления - 14.
Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом: устройство управления - 14 подает сигнал на открытие входного вентиля - 4, после открытия которого загрязненная микроорганизмами вода поступает в катодную и анодную полости корпуса - 1 ионистора. Объем пористого катода - 2 и объем пористого анода - 3 заполняются одинаковым уровнем загрязненной воды, так как в верхней части, разделяющей перегородки корпуса - 1, есть отверстие - 9. При заполнении отверстия - 9 водой срабатывает датчик уровня воды - 10, по сигналу которого устройство управления - 14 перекрывает входной вентиль - 4. При заполнении водой пористого катода - 2 и пористого анода - 3 сливной вентиль-5 и сливной вентиль-6 находятся в запертом состоянии.
После того как уровень воды в корпусе - 1 ионистора становится выше отверстия - 9 и после перекрытия вентиля - 4, устройство управления - 14 подключает к катоду - 2 и аноду - 3 через коммутатор - 11 источник постоянного напряжения - 12. Далее возникает ток, который заряжает емкость ионистора (емкость конденсатора), размещенного в корпусе - 1. Так как емкость ионистора в корпусе - 1 велика [5], его зарядка производится в течение нескольких минут до напряжения источника напряжения существенным током 20 и более ампер, при этом преобразователь напряжения - 16 в код передает информацию в устройство управления - 14, которое контролирует напряжение между анодом - 3 и катодом - 2. При достижении напряжения между анодом - 3 и катодом - 2, близкого к напряжению выделения водорода и кислорода, устройство управления - 14 отключает источник напряжения - 12 сигналом управления, поступающим на коммутатор - 11.
Далее устройство управления открывает вентиль - 5 и вентиль - 6, через которые сливает часть воды из камеры катода - 2, а также камеры анода - 3, при этом уровень воды в катодной части корпуса - 1 и анодной части - 3 опускается ниже отверстия - 9. При этом электрическая связь между анодом - 2 и катодом - 3 исчезает, происходит отключение соляного моста, существовавшего ранее между объемами воды двух камерах корпуса - 1 (роль соляного мостика играло отверстие - 9, заполненное водой).
Далее устройство управления - 14 подключает анод - 3 и катод - 2 через коммутатор - 11 ко входам накопителя электроэнергии - 13. Накопитель электроэнергии - 13 преобразует ток между заряженными электродами ионистора (анодом - 3 и катодом - 2) в высокое напряжение и заряжает аккумулятор накопителя - 13. При этом происходит разряд пористого катода - 2 и пористого анода - 3. При разряде электродов падает напряжение между ними, которое контролируется через преобразователь напряжения - 16 устройством управления - 14. После разряда пористого катода - 2 и пористого анода - 3 до заданной величины устройство управления - 14 открывает вентиль - 5 и вентиль - 6, через которые католит (щелочная среда) и анолит (кислая среда) поступают в бак - 7 и бак - 8.
Далее устройство управления - 14 включает входной вентиль - 4 и наливает через него следующую порцию загрязненной бактериями и грибками воды. При заполнении корпуса - 1 водой срабатывает датчик уровня - 10 по его сигналу устройство управления - 14 закрывает входной вентиль - 4. Далее устройство управления - 14 подключает анод - 3 и катод - 2 к выходам накопителя энергии - 13 через коммутатор - 11. Ионистор в корпусе - 1 начинает заряжаться от этого источника напряжения до разряда накопителя энергии - 13, при этом устройство управления - 14 контролирует ток через преобразователь тока - 15, при снижении тока до заданной величины устройство управления - 14 отключает накопитель - 13 и вместо него подключает источник напряжения - 12 к электродам ионистора через коммутатор - 11.
Далее устройство управления - 14 контролирует через преобразователь - 16 увеличивающееся напряжение на электродах ионистора 2 и 3. При достижении этого напряжения заданной величины устройство управления - 14 отключает источник напряжения - 12, далее открывает вентиль - 5 и вентиль - 6, сливая через них часть воды, при этом уровень воды в корпусе - 1 понижается и отверстие - 9 в перегородке оказывается выше уровня воды, ионная связь объемов воды в пористых электродах прерывается, так как в сквозном отверстии нет воды. После этого вентили - 5 и 6 закрываются по команде устройства управления - 14, далее заряды, накопившиеся на пористых электродах 2 и 3, устройство управления - 14 разряжает, подключив к ним входы накопителя энергии - 13.
После разряда пористых электродов 2 и 3 устройство управления - 14 открывает вентили - 5 и 6 и сливает через них католит (щелочная среда) и анолит (кислая среда) в бак - 7 и бак - 8. Описанный выше цикл повторяется многократно. В итоге в баке - 7 скапливается достаточно большой объем воды со щелочной реакцией, а в баке - 8 скапливается достаточно большой объем воды с кислой реакцией. Бактерии, грибки, водоросли, простейшие организмы, присутствующие в неочищенной воде, попадают в бак - 7 и бак - 8, они не могут жить в кислой и щелочной среде, они умирают. Кроме того, кислая и щелочная среда снимает электростатический заряд с иных коллоидных (органических и не органических) частиц в исходной (мутной) воде. Живые микроорганизмы, водоросли, простейшие и коллоидные частицы выпадают в осадок на дне бака - 7 и бака - 8. Вода в баке - 7 и баке - 8 может храниться долго, даже если осадок из этих баков не удален, так как живые организмы не способны жить в кислой и щелочной средах. Достигается заявленный эффект обеззараживания воды и ее консервации.
При потреблении воды для питья потребитель открывает одновременно сливной вентиль - 17 и сливной вентиль - 18, проходя через которые кислая и щелочная фракции воды взаимно нейтрализуются. Сливные отверстия баков 7 и 8 расположены выше дна этих баков и сливают воду без осадка. Чистка органического осадка производится периодически через специальную сливную пробку в дне каждого из баков.
Для достижения цели по экономии электроэнергии при реализации устройства важным элементом является накопитель электроэнергии - 13. Он может быть составлен из входного электромеханического прерывателя, трансформатора напряжения, первого входного выпрямителя переменного напряжения, батареи электролитических конденсаторов, накапливающих электроэнергию, второго выходного выпрямителя. Когда накопитель подключен к ионистору в режиме извлечения энергии он коммутирует входы низковольтной обмотки своего трансформатора, пропуская через него переменный ток разряда ионистора. Трансформатор увеличивает напряжение разряда ионистора в десятки раз, далее это напряжение выпрямляется первым входным выпрямителем и накапливается на высоковольтных электролитических конденсаторах. Когда накопитель электроэнергии отдает ток, происходит обратный процесс. Электромеханический коммутатор подключает к высоковольтной обмотке трансформатора, разряжаемой электролитический конденсатор, трансформатор понижает напряжение и увеличивает ток, который выпрямляется выходным выпрямителем и производит зарядку ионистора. Накопитель электроэнергии является обычным электротехническим устройством, реализация которого не требует изобретательского уровня.
Предложенное устройство позволяет иметь чистую воду в отдельно стоящих домах, не подключенных к водопроводу. Вода, накапливаемая в баках 7 и 8 в период дождей, способна храниться длительное время. Дома, имеющие подобные устройства, не нуждаются в бурении скважин, рытье колодцев, в протягивании к ним водопроводных труб. Экономия средств возникает из-за отказа от платных услуг внешних организаций, занимающихся коллективной водоочисткой, платы за подключение к водопроводу. Так на момент оформления заявки стоимость одного кубометра воды в г. Пенза составляет 20 рублей 70 копеек. Типичное потребление семьи из 4 человек составляет 10 кубометров обеззараженной на станции водоочистки воды, чья стоимость после доставки по водопроводу составит 207 рублей в месяц.
Каждый литр пресной воды содержит примерно 3 грамма соли (например, поваренной соли NaCl, молекула которой имеет атомный вес 28, так как ион Na имеет атомный вес - 11, ион Сl имеет атомный вес - 17), то есть на выделение электролизом одного г/моля NaCl потребуется затраты электроэнергии 96000 Кулон при напряжении порядка 4 вольта (суммарный потенциал ионов натрия и хлора составляет 3,9 вольта). То есть необходимо выполнить работу порядка 4·96000≈400000 Дж. Так как три грамма NaCl составляют только одну десятую г/моля, затраты снижаются в десять раз до величины 40000 Дж. При потреблении из энергосети от электросети порядка одного киловатт/часа в одну секунду совершается работа в 1000 Дж. То есть потребуется потребление такой энергии в течение 40 секунд. При текущей стоимости одного киловатт/часа 2,4 рубля, стоимость энергозатрат составит (2,4 руб./(36000 с))·40 с=0,027. Стоимость энергозатрат составляет 2,7 копейки на литр. При потреблении 10 кубометров воды затраты увеличиваются в 10000 раз и составят 270 рублей. Это цифра сопоставима со стоимостью воды, получаемой из водопровода.
-
+
На данный момент неизвестно, какова должна быть активность щелочной и кислой фракций воды для того, чтобы прервать жизнедеятельность болезнетворной микрофлоры. Известно, что концентрация активных веществ в воде (гидроксильных ионов ОН в щелочной среде катионита и ионов водорода Н в кислой среде анионита) влияет на время дезинфекции воды (время прекращения жизнедеятельности микроорганизмов). Предположительно, что при длительном процессе обеззараживания воды (в течение нескольких часов) не потребуется разделять ионы всего солевого наполнения воды. Если достаточно будет разделять ионы только одного грамма солей, то стоимость энергозатрат снижается в три раза и составит 70 рублей на 10 кубометров месячного потребления. При таком режиме эксплуатационные затраты становятся меньше, чем затраты на оплату услуг водопроводной сети доставки и водоочистки.
В случае, когда предложенное устройство размещается в отдаленном доме (даче, коттедже), не имеющем подключения к электросети, важной оказывается экономия электроэнергии, получаемой от автономного преобразователя солнечной энергии в электричество. В этом случае целесообразно экономить электроэнергию и избегать значительных скачков потребления. Снизить общий уровень потребления удается, накапливая электроэнергию по п. 2 формулы изобретения в накопителе электроэнергии - 12, предложенного устройства. Тогда удается снизить электропотребление более чем в два раза.
В случае применения предложенных способов и устройства для обеззараживания плавательных бассейнов целесообразно иметь два бассейна и заполнять в первый бассейн анолитом с очень слабой кислотной составляющей, а второй бассейн заполнять слабой щелочной составляющей. Это исключает размножение в воде обоих бассейнов простейших микроорганизмов. При этом в ночное время, когда купающихся нет, целесообразно поднимать показатель активности воды, а в дневное время снижать этот показатель, смешивая воду двух бассейнов.
Преимуществом предложенного способа обработки воды в плавательных бассейнах является то, что во время плавания в них людей их водородный показатель рН может соответствовать практически нейтральной воде. Очистка воды может осуществляться только в ночное время, когда в бассейнах нет людей. Плавать в пресной или слабо подсоленной, но практически нейтральной воде комфортнее, чем плавать в сильно хлорированной воде обычного бассейна.
Литература
1. Патент №RU2328454 С2, заявка 2006107840/15, 13.03.2006, «СТАНЦИЯ ВОДОПОДГОТОВКИ», опубликовано 10.07.2008, авторы Войтов Евгений Леонидович (RU), Сколубович Юрий Леонидович (RU).
2. ГОСТ Р 53491.1-2009 Бассейны. Подготовка воды. Часть 1. Общие требования (DIN 19643-1:1997).
3. Патент №RU2434814 С2, заявка 2010123593/05, 09.06.2010, «УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ», опубликовано 27.11.2011, авторы Патрушев Евгений Иннокентьевич (RU), Лукашевич Ольга Дмитриевна (RU), Патрушева Нина Евгеньевна (RU), Филичев Сергей Александрович (RU).
4. Патент №RU2394774 С2, заявка №2008127951/15, 08.07.2008, «Способ электрохимической очистки питьевой воды», опубликовано 20.07.2010, Бюл. №20, автор Горшков Алексей Сергеевич (RU).
5. В. Шульга «Суперконденсаторы: помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания». ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 3/2003 с. 20-23.