СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ
METHOD AND DEVICE FOR PURIFYING WATER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, вообще, к способу и устройству для очистки воды, в частности к регулированию концентрации ионов в водопроводной воде.
Уровень техники
2
Водопроводная вода не является химически чистой НО. Основными дополнительными компонентами являются бикарбонат кальция и хлорид натрия, попадающие в грунтовые воды при их проникновении сквозь известняк (кальцит) и слои засоленных горных пород (галит), соответственно. Хотя эти компоненты не представляют риска для здоровья (по меньшей мере, в нормальных концентрациях: например, в Нидерландах концентрация бикарбоната кальция может составлять порядка 160 частей на миллион, а концентрация хлорида натрия может составлять порядка 80 частей на миллион), есть отрицательные моменты, связанные с присутствием указанных соединений, и, следовательно, желательно иметь возможность регулирования (в частности, снижения) их концентрации.
Одной из проблем является образование накипи. Бикарбонат кальция является важнейшим источником слоя накипи, засоряющего, например, кофеварки, кипятильники для воды, паровые утюги и увлажнители воздуха. Сведение к минимуму концентрации бикарбоната кальция было бы приятно пользователям, так как благодаря этому исключаются периодические хлопоты по очистке таких устройств.
+
+
Другой проблемой является вкус. Даже небольшие количества минералов оказывают заметное воздействие на вкусовое восприятие. Например, концентрация хлорида кальция определяет соленость водопроводной воды. Вкус воды является важным фактором для потребителя при определении того, пить эту воду или нет. Даже когда качество водопроводной воды чрезвычайно высокое, люди все же склоняются к тому, чтобы пить бутилированную воду. Кроме того, бутилированная вода по сравнению с водопроводной относительно дорогая, ее производство связано с намного более высоким энергопотреблением, чем производство водопроводной воды (в, порядка, 1000 раз из-за, помимо прочего, производства бутылок, транспортировки и охлаждения). Следует отметить, что у потребителей индивидуальные вкусовые предпочтения, и что существуют значительные региональные различия состава и вкуса водопроводной воды. Следовательно, чтобы изменить вкус водопроводной воды так, чтобы потребители могли перейти к потреблению водопроводной воды вместо бутилированной, важно иметь возможность регулирования уровня минерализации водопроводной воды и, предпочтительно, предоставить индивидуальному потребителю инструмент, с помощь которого он мог бы настраивать вкус водопроводной воды в соответствии со своими персональными предпочтениями. Кроме того, желательно, чтобы процесс регулирования был очень эффективным. Например, в одном из конкретных брендов бутилированной воды концентрация ионов Na составляет около 3 части на миллион, тогда как порог обнаружения ионов Na равен, примерно, 2 части на миллион: это означает, что желательно, чтобы эффективность удаления составляла около 95% или выше.
Уже предложены способы снижения концентрации минералов в воде, основанные на различных принципах. Вообще, этим традиционным способам очистки воды свойственны недостатки, заключающиеся в высоком энергопотреблении и образовании отходов.
Первым традиционным способом очистки воды, который следует упомянуть в данном документе, является дистилляция, включающая, сначала, кипячение воды, чтобы получить пар (не содержащий большинства минералов) и, затем, приведение его в контакт с холодной поверхностью, где пар конденсируется и снова становится жидкостью. Хотя эффективность этого способа высока (близка к 100%), для его реализации требуется много энергии: можно показать, что энергопотребление составляет около 600 Втч/л для малогабаритных установок, для которых рекуперация энергии нецелесообразна.
Вторым традиционным способом очистки воды, который следует упомянуть в данном документе, является обратный осмос, включающий использование высокого давления (>10 бар (1МПа)) для проталкивания воды сквозь мембранный фильтр с маленькими порами с целью отделения минералов. По сравнению с дистилляцией, энергопотребление значительно меньше, но все же высокое (>4 Втч на литр продукта), эффективность, обычно, составляет около 90%. Существенным недостатком является то, что для исключения засорения мембраны необходим довольно большой избыточный поток (обычно, 50% входящего потока). Кроме того, мембрану нужно регулярно менять. Для удаления накипи адекватной является величина эффективности удаления минералов 90%, однако для полноценного регулирования вкуса понадобится двукратное пропускание за счет дополнительного снижения эффективности (энергопотребление 12 Втч/л, избыточный поток 75%).
По существу, в обоих описанных способах очистки энергия направлена на преобладающее количество воды. При использовании электрических полей, напротив, можно эффективным образом сосредоточиться на меньшем количестве минералов, используя тот факт, что в воде эти вещества ионизируются. Примерами таких способов являются непрерывная электродеионизация и емкостная деионизация.
В случае непрерывной электродеионизации набор параллельных потоков, разделенных ионоселективными мембранами и частично наполненных ионообменными смолами, при помощи электричества преобразуют в очищенные потоки и концентрированные потоки отходов. Этот способ очистки (обычно, в качестве заключительной стадии очистки после обратноосмотической) позволяет получить воду ультравысокой чистоты, соответствующей наивысшим стандартам, с отличной эффективностью (энергопотребление 0,4 Втч/л и только 5% избыточного потока), но из-за высокой стоимости мембран и смол он недоступен для использования потребителем.
В случае емкостной деионизации поступающий поток очищают путем электрического улавливания ионов двумя плоскопараллельными электродами (изготовленными из пористого углерода). Этот способ реализуют в периодическом режиме, чередуя стадии деионизации и регенерации. После того, как электроды насытились адсорбированными ионами, на стадии регенерации электрическое поле отключают, ионы постепенно диффундируют с электродов в поток отходов. Недостатком этого способа является то, что регенерация проходит медленно и не до конца. Следовательно, поток отходов может быть большим (>20%), а время службы электродов - ограниченным (из-за биообрастания). Один из примеров данного способа приведен в US-2008/0198531.
В WO-2008/082696 описан способ электрической очистки воды, названный «Микромасштабная емкостная деионизация». В соответствии с этим способом поток воды подвергают воздействию поперечного электрического поля, прикладываемого при помощи электродов, расположенных вдоль канала для воды. Ионы притягиваются к заряженным электродам, благодаря чему концентрация ионов в центре потока уменьшается, а концентрация ионов в наружных областях потока, вблизи от электродов, увеличивается. Через определенное расстояние вдоль канала центральную часть потока отделяют от наружных областей, при этом центральный поток представляет собой продукт со сниженной концентрацией ионов, а наружные области потока представляют собой поток отходов с повышенной концентрацией. Этот способ представляется очень непривлекательным: в соответствии с информацией, имеющейся в этой публикации, нужно очень высокое напряжение (порядка 2,5-10 кВ), энергопотребление очень высокое (750 Вт на 50 мл/ч, что соответствует 15 кВтч/л), а качество очистки низкое (около 3%).
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для очистки воды, позволяющих исключить или, по меньшей мере, ослабить указанные выше недостатки. В частности, настоящее изобретение направлено на обеспечение способа и устройства для очистки воды, допускающих функционирование с низким энергопотреблением и высоким качеством очистки, относительно малым количеством отходов, низкими затратами и пригодных для установки и использования в частных домашних хозяйствах, в частности, для использования под раковиной.
В WO-2008/082696 указано, что в способе электрической очистки воды, называемом «Микромасштабная емкостная деионизация», является существенным использовать неэлектропроводные водонепроницаемые барьеры, отделяющие электроды от потока текучей среды. Авторами настоящего изобретения неожиданно обнаружено, что можно достичь серьезного улучшения, если исключить эти барьеры и поместить электроды непосредственно в текучую среду. Эксперименты показали, что очень эффективное отделение ионов возможно при малом напряжении на электродах, 2 В, и низком энергопотреблении, 0,25 Втч/л. Хотя это точное значение напряжения на электродах не является решающим, предпочтительно, следует выбирать величину напряжения менее 5 В, чтобы избежать существенного газообразования (в результате электролиза).
Дополнительные усовершенствования указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения дополнительно пояснены в нижеследующем описании одного или нескольких предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые номера позиций присвоены одним и тем же или подобным частям, и где указания «под/над», «выше/ниже», «левый/правый» и т.д. относятся только к ориентации, приведенной на чертежах, и на которых:
Фиг.1А представляет собой схему, поясняющую принцип работы настоящего изобретения;
Фиг.1В и 1С поясняют возможные варианты поперечного сечения канала потока;
Фиг.1D представляет собой схему, поясняющую другой альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2А представляет собой схему, поясняющую предпочтительный аспект устройства для очистки от ионов в более мелком масштабе;
Фиг.2В представляет собой схему, поясняющую другие благоприятные отличительные особенности настоящего изобретения;
Фиг.3А-3F поясняют стадии процесса производства очистного устройства;
Фиг.4А, 4В, 5 поясняют примерные варианты осуществления структурированных пластин.
Подробное описание изобретения
Фиг.1А представляет собой схему, поясняющую принцип работы в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения. Поток воды 1 протекает по основному каналу 2, на данном чертеже слева направо. По меньшей мере, на определенной длине канала 2 имеются электроды 3 и 4, расположенные напротив друг друга и контактирующие с водой 1. Электроды 3, 4 могут образовывать боковые стенки канала 2. На данном чертеже электрод 3 показан как имеющий положительное напряжение по отношению к электроду 4, который показан как имеющий отрицательное напряжение по отношению к электроду 3, при этом, следует отметить, что это относится к относительному напряжению электродов друг относительно друга и не обязательно, абсолютному напряжению относительно земли.
Вода 1 содержит положительные и отрицательные ионы, как указано стрелкой 5, по существу, равномерно распределенные в воде. Электроды 3, 4 создают поперечное электрическое поле, перпендикулярное к направлению потока воды 1, как должно быть ясно специалистам в данной области. Следовательно, положительные ионы стремятся двигаться к отрицательному электроду 4, отрицательные ионы стремятся двигаться к положительному электроду 3, как должно быть ясно специалистам в данной области. В результате, пройдя некоторое расстояние по каналу, вода в пограничном слое рядом с положительным электродом 3 становится обогащенной отрицательными ионами, как показано стрелкой 7, тогда как вода в пограничном слое рядом с отрицательным электродом 4 становится обогащенной положительными ионами, как показано стрелкой 8. В центральной области канала 2 концентрация ионов снижается, как показано стрелкой 6. Следует отметить, что точные величины концентрации ионов или эффективности обеднения центральной области зависят, помимо прочего, от разности потенциалов между электродами, ширины канала, то есть, расстояния между электродами, скорости потока воды и длины канала. В любом случае, теперь становится возможным разделение потока воды на отдельные потоки, показанные как вторичные потоки с взаимно разнородным содержанием ионов. С этой целью на чертеже показано, что в канале 2 имеется разветвление, по меньшей мере, с двумя выходящими ветвями, предназначенное для разделения очищенной жидкости и отходов. Специалистам в данной области ясно, что данное разветвление может представлять собой разветвление с тремя отходящими ветвями или разветвление с двумя отходящими ветвями или может включать более одного разветвления с тремя отходящими ветвями и/или более одного разветвления с двумя отходящими ветвями. На фиг.1А показано, что в канале 2 имеется разветвление 20 на три потока с тремя отходящими ветвями или вторичными каналами 21, 22, 23, где поток воды 1 разделяется на три вторичных потока 11, 12, 13, следующих по указанным вторичным каналам 21, 22, 23, соответственно. По центральному каналу 21 течет первый вторичный поток 11, соответствующий центральной части исходного канала 1 и, таким образом, содержащий мало или не содержащий ионов. По первому внешнему каналу 22 течет второй вторичный поток 12, соответствующий внешней части исходного потока 1, обогащенной отрицательными ионами. Особенно в условиях ламинарного течения весь пограничный слой основного потока поступает во внешний канал 22, таким образом, в центральном канале 21, по существу, не остается отрицательных ионов. Точно так же, по второму внешнему каналу 23 течет третий вторичный поток 13, соответствующий внешней части исходного потока 1, обогащенной положительными ионами. Центральный канал 21 является каналом продукта, а поток 11 является потоком продукта, поступающим на выход 24 продукта, показанный как канал, перпендикулярный плоскости чертежа. Входной конец основного канала 2 показан соединенным со входом 28, представляющим собой канал, перпендикулярный плоскости чертежа. Внешние каналы 22, 23 представляют собой каналы отходов, соответствующие им потоки 12, 13 являются потоками отходов, поступающими в отдельные выходы отходов или, как в данном примере, в один общий выход 25 отходов. Обогащенный ионами поток воды, выходящий через выход 25 отходов, имеет общий заряд, равный нулю.
Является предпочтительным, чтобы обогащенная ионами вода находилась в тесном контакте с электрическим проводником. В канале 2 таким проводником являются электроды 3, 4, которые, предпочтительно, изготовлены из металла. В первом и втором вторичных каналах 22, 23 обогащенная ионами сбросная вода 12, 13 также находится в контакте с соответствующими электрическими проводниками 26, 27 с таким же потенциалом, как у электродов 3, 4, соответственно. Проводники 26, 27, наряду с каналами 22, 23 отходов, могут быть отделены от отделяющих ионы электродов 3, 4, могут быть электрически соединены с отделяющими ионы электродами 3, 4 и даже могут быть изготовлены как единое целое с отделяющими ионы электродами 3, 4, как показано на чертеже. В каждом проводнике 3, 4, 26, 27 должен быть создан зеркальный заряд, обычно, в форме электронов или электронных дырок внутри проводников, чтобы уравновесить общий заряд ионов в соответствующих каналах. Без такого противовеса накопленный ионный заряд будет генерировать сильные противодействующие электрические поля, препятствующие переносу ионов и снижающие эффективность разделения.
У разветвления 20 на три потока канал 21 продукта, предпочтительно, как и показано на чертеже, находится на одной линии со входом основного канала 2. Ветви могут быть взаимно перпендикулярными, тогда общая схема расположения элементов разветвления 20, вместе со входом канала 2, напоминает крест. Однако, является предпочтительным, чтобы каналы 22, 23 отходов имели продольное направление, составляющее с продольным направлением входного канала 2 угол менее 90°, предпочтительно, этот угол составляет порядка 30°-60°. Переход от основного канала 2 к каналам 22, 23 отходов, предпочтительно, имеет плавно криволинейные боковые стенки без коленчатых переходов.
Как показано на фиг.1А, каналы 22, 23 отходов направлены в стороны друг от друга, после чего сходятся к общему выходу 25 отходов. Хотя возможно, чтобы каналы 22, 23 отходов образовывали коленчатые углы, является предпочтительным, чтобы каналы 22, 23 отходов были плавно криволинейными.
Поскольку в варианте осуществления изобретения, поясняемом фиг.1А, первый и второй каналы 22, 23 отходов соединяются в общем выходе 25, имеется фрагмент материала 29, охватываемый этими каналами 22, 23 отходов и каналом 21 продукта. Этот фрагмент материала может быть оставлен с нейтральным напряжением. Также возможно, чтобы фрагмент материала 29 был разделен на две части (не показано), при этом одна часть находится в контакте с «отрицательным» каналом 22 отходов с отрицательными ионами, а другая часть находится в контакте с «положительным» каналом отходов с положительными ионами, в этом случае эти фрагменты могут быть соединены с положительной и отрицательной полярностью, соответственно, как и электроды 26, 27, соответственно.
Фиг.1D представляет собой схему, поясняющую другой альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения. В варианте осуществления изобретения, поясняемом фиг.1D, в разветвлении канала 2 имеется разветвление надвое 20', в каковом разветвлении надвое 20' имеется один центральный выход 24' продукта, предназначенный для отведения очищенной жидкости 11', и одна ветвь 22' выхода отходов, предназначенная для отведения обогащенных ионами жидких отходов 14'. Также как в варианте осуществления изобретения, поясняемом фиг.1А, до достижения разветвления надвое, ионы, содержащиеся в потоке воды в основном канале 2, по существу, разделяются под действием поперечного электрического поля, создаваемого при помощи электродов 3, 4. Вторичный поток 11', соответствующий центральному выходу 24' продукта, разветвления 20', который является выходным каналом для очищенной жидкости, показан как канал, перпендикулярный плоскости чертежа. Оставшаяся от основного потока жидкость поступает в ветвь 22' выхода отходов, вторую ветвь разветвления 20', как 14' поток отходов. Оставшаяся жидкость, отводимая по этой ветви вывода отходов через выход 25' отходов, обладает общим зарядом, равным нулю. Предпочтительно, выход 24' продукта расположен в центре локального расширения канала. Специалистам в данной области понятно, что выход 25' отходов, также может располагаться в других точках ветви 22' выхода отходов и обеспечивать функцию отведения жидких отходов. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1А, известным недостатком является то, что во вторичных каналах 22, 23 может накапливаться электростатический потенциал, что в итоге может привести к блокированию потока в направлении выхода отходов. В варианте осуществления изобретения, поясняемом фиг.1D, эта проблема решена, так как поток, обогащенный отрицательными ионами, и поток, обогащенный положительными ионами, остаются вместе в одной и той же ветви, благодаря чему исключается образование электростатического потенциала.
Кроме того, в варианте осуществления изобретения на фиг.1А не показана форма поперечного сечения каналов. На фиг.1В показано, что каналы могут иметь, по существу, круглую форму поперечного сечения, однако она сложна для изготовления. На фиг.1С схематично показано поперечное сечение, поясняющее предпочтительный вариант осуществления изобретения, на котором тонкая металлическая пластина М использована в качестве основного материала, и каналы 2, 21, 22, 23 образуются путем удаления тонкой полосы материала, например, посредством лазерной резки. Тогда фиг.1А представляла бы собой вид такой пластины сверху, и фиг.1С была бы поперечным сечением через пластину М, перпендикулярным каналу (например, 2), так что продольное направление канала перпендикулярно плоскости чертежа. Таким образом, металлическая пластина М образует боковые стенки канала. Путем прослаивания этой пластины пластинами Р и Q, изготовленными из неэлектропроводного материала, формируют верхнюю и нижнюю стенки канала. Хотя точная величина отношения высоты канала к ширине канала не является существенной, на фиг.1С показано, что это отношение, предпочтительно, намного превосходит 1.
В таких вариантах осуществления изобретения стенки канала, сами по себе, также играют роль электрода, и в нижеследующем описании принимается эта конструкция, однако, следует отметить, что, по меньшей мере принципиально, также возможно, чтобы канал был шире, а внутри канала, рядом с его стенками, установлены отдельные электроды.
Фиг.2А представляет собой схему, поясняющую предпочтительный вариант осуществления канала 2 в более мелком масштабе. Номер позиции 28 указывает на вход канала 2. Для совмещения большой длины канала с малыми габаритными размерами канал 2 реализован как извилистый канал с изгибами 2а на 180° и последовательными сегментами канала 2b, направленными антипараллельно соседним сегментам.
Фиг.2В представляет собой схему, поясняющую другие благоприятные отличительные особенности настоящего изобретения. На этой фигуре показано, что возможно существование множества каналов 2, к номеру позиции которых на чертеже, чтобы отличать их друг от друга, добавлены буквы А или В, соединенных с общим входом 28. На этой фигуре также показано, что возможно существование множества вторичных каналов: ниже по потоку после разветвления 20 в центральной ветви 21 имеется второе разветвление 30 на три потока, по существу, такой же конструкции, как и разветвление 20, показанное на фиг.1. В этом втором разветвлении 30 также имеется центральная ветвь 31 продукта, находящаяся на одной линии с соответствующим входным потоком 21 и идущая к выходу 24 продукта. Во втором разветвлении 30, кроме того, имеются первая и вторая ветви 32, 33 отходов, идущие, в данном случае, в один общий выход 25 отходов. Это распространяется на каждый из каналов 2А, 2В, поэтому в данном примере имеется два выхода 24А, 24В продукта и два выхода 25А, 25В отходов. Выходы 24А, 24В продукта далее могут быть соединены друг с другом, но на чертеже это не показано; то же справедливо для выходов 25А, 25В отходов.
Можно видеть, что в варианте осуществления изобретения, поясняемом фиг.2В, первый фрагмент 34 материала заключен между первой ветвью 22 отходов первого разветвления 20 и первой ветвью 32 отходов второго разветвления 30. Аналогично, второй фрагмент 35 материала заключен между второй ветвью 23 отходов первого разветвления 20 и второй ветвью 33 отходов второго разветвления 30. В принципе, величина потенциала этих фрагментов материала может быть выбрана свободно. Электрически, фрагменты материала могут быть оставлены плавающими, однако, является предпочтительным, чтобы первый фрагмент 34 материала имел тот же потенциал, что и материал на противоположной стороне первой ветви 22 отходов первого разветвления 20, а второй фрагмент 35 материала имел такой же потенциал, как материал на противоположной стороне второй ветви 23 отходов первого разветвления, таким образом, боковые стенки каждой из этих ветвей 22, 23 отходов всегда обладали бы взаимно одинаковым потенциалом. В результате, отсутствует какое-либо поперечное электрическое поле в ветвях 22, 23 отходов, поэтому ионы в этих ветвях отходов не «прилипают» к стенкам и легче могут быть выведены.
При разработке реального варианта осуществления устройства для очистки воды важную роль играют несколько конструктивных соображений, включая следующие:
Является предпочтительным, чтобы длина внешних вторичных каналов 22, 23, то есть, длина от их начала в точке разветвления 20 до их конца в общей точке выхода 25 была возможно более короткой, чтобы насколько возможно предотвратить наращивание потенциала, который мог бы блокировать выходящий поток отходов.
Прикладываемая разность потенциалов между разделяющими ионы электродами 3, 4, предпочтительно, должна быть меньше 2,0 В, чтобы свести к минимуму электрохимические реакции на электродах, более предпочтительно, меньше 1,2 В, чтобы исключить электролиз воды.
Является предпочтительным, чтобы соблюдалось следующее неравенство:
2
L·µ·V>ν·d
для достижения полного отделения ионов.
В этом неравенстве:
L - длина основного канала 2 до разветвления 20 или, по меньшей мере, длина части этого канала с разделяющими ионы электродами 3, 4 по бокам,
µ - наименьшая подвижность ионов,
V - разность потенциалов между разделяющими ионы электродами,
ν - скорость потока воды 1,
d - расстояние между разделяющими ионы электродами, то есть  ширина канала.
Является предпочтительным, чтобы соблюдалось следующее неравенство:
1000·η>ν·ρ·d
для создания в канале 2 (а именно, в его конце, у разветвления) ламинарного потока.
В этом уравнении:
η - вязкость (кг/мс) воды 1,
ν - скорость потока воды 1,
3
ρ - плотность (кг/м) воды 1,
d - расстояние между разделяющими ионы электродами, то есть, ширину канала.
Является предпочтительным, чтобы соблюдалось следующее неравенство:
о
ΔР<Р
для исключения потребности в дополнительном насосе.
В этом уравнении:
ΔР означает падение давления между входом и выходом,
о
Р означает давление на входе, которое в случае устройства, предназначенного для водопроводной воды, соответствует давлению водопроводной воды; обычно, это давление на 2,5 бар больше атмосферного давления. Принимая, что высота канала намного больше ширины канала, ΔР можно выразить как
ΔР=
В одном из возможных вариантов осуществления изобретения все каналы имеют одинаковую ширину. Следует отметить, что на фиг.1А ширина канала показана преувеличенно большой; в реальном воплощении изобретения ширина канала, возможно, будет лежать в диапазоне от 1 мкм до 200 мкм, хотя возможны и другие размеры. В зависимости от способа изготовления этих каналов, может оказаться целесообразным, чтобы все каналы имели одинаковую ширину. С другой стороны, от ширины и длины вторичных каналов продукта и отходов зависит гидравлическое сопротивление соответствующих вторичных каналов, которое, в свою очередь, определяет соотношение потоков в этих соответствующих вторичных каналах. Таким образом, конструкцию можно изменять с тем, чтобы увеличить поток отходов и, следовательно, получить поток лучше очищенного продукта с меньшим расходом, или наоборот. В частности, возможно, чтобы ширина каналов продукта отличалась от ширины основного канала, и возможно, чтобы ширина каналов отходов отличалась от ширины канала продукта.
Настоящим изобретением также обеспечивается относительно простой способ, который можно реализовать с относительно малыми затратами, производства устройства для очистки воды. Этот способ описан далее со ссылкой на фиг.3А и последующие.
На первой стадии готовят пластину 50 из электропроводного материала надлежащей толщины. Надлежащей толщиной является, например, 1 мм. Подходящим материалом является, например, углерод, графит, нержавеющая сталь, электропроводный полимер, алюминий, медь. Для случая использования во взаимодействии с водопроводной водой или любой другой текучей средой, предназначенной в пищу людей, предпочтительным материалом является нержавеющая сталь.
На фиг.3А схематично показано поперечное сечение пластины 50. Верхняя основная поверхность пластины обозначена номером позиции 51, нижняя основная поверхность пластины обозначена номером позиции 52. На второй стадии в пластине 50 делают разрез 53, проходящий по всей толщине пластины 50 от верхней основной поверхности 51 до нижней основной поверхности 52. Разрез, по существу, очень узкий, порядка 100 мкм или менее. Разрез выполняют путем механического вырезания соответствующих частей материала. К пригодным способам механической обработки относятся тиснение, лазерная обработка, электроискровая обработка, травление.
На фиг.3В схематично показан вид пластины 50 сверху, на котором разрез 53 представляет собой извилистую линию 54. Точно так же, разрезы 55 линейной формы сделаны с целью создания вторичных каналов 21, 22, 23 продукта и отходов, отверстия 56 сделаны для входа 28 и выходов 24, 25. В дальнейшем описании пластина с такими разрезами и отверстиями именуется структурированной пластиной 57. Следует отметить, что, в качестве альтернативы, структурированная пластина 57 конструктивно может быть изготовлена путем отливки в форму.
Можно видеть, что таким разрезом 53 пластина 51, по существу, разделена на две или более частей 61, 62. Как будет освещено более подробно, эти части 61, 62 выполняют роль электродов с разным потенциалом, поэтому нужно, чтобы части 61, 62 были полностью отделены друг от друга. Для этого необходимы дополнительные разрезы 58, 59, идущие от входа 28 к краю пластины и от выхода 25 отходов, к краю пластины, соответственно. Эти разрезы, однако, образуют путь утечки к краю пластины, что требует дополнительных мер по предотвращению утечки. Следовательно, предпочтительной является конструкция, по меньшей мере, с двумя каналами 2А и 2В, схематично представленная на фиг.2В. Фиг.3С представляет собой вид сверху, сравнимый с фиг.3В, пластины 50, конструкция которой сравнима с показанной на фиг.2В за исключением второго разветвления. Вместо разрезов 58, 59, идущих до края пластины, сделаны разрезы 63 и 64 между точками выхода отходов 25А и 25В на противоположных сторонах каналов 2А, 2В. При этом можно обнаружить наличие первого фрагмента 61 материала, полностью очерченного разрезами 53 и 63 и отверстиями 28, 25А, 25В, и второго фрагмента 62 материала, полностью очерченного разрезами 53 и 64 и отверстиями 28, 25А, 25В. Таким образом, эти фрагменты 61, 62 материала электрически не контактируют друг с другом, отделены каналами 2А, 2В, и на них может быть подано разное напряжение.
С другой стороны, если разрезы, как они показаны на фиг.3С, сделать на этой стадии, отдельные части 61, 62 выпадут наружу, и будет очень трудно снова установить части 61, 62 пластины друг относительно дуга с достаточной точностью. Впрочем, то же самое относится и к фрагментам 65А, 65В, очерченным разрезами канала выхода отходов. Следовательно, на этой стадии отверстия для входа 28 и выхода отходов 25А, 25В пока не делают. Как показано на фиг.3D, соответствующие каналы заканчиваются, не соприкасаясь друг с другом, между ними оставляют небольшие мостики 66, 67, 68, соединяющие фрагменты 61, 62 материала друг с другом и с периферической краевой частью 69 пластины 50, чтобы удержать фрагменты 61, 62 материала на месте.
На фиг.3Е поперечное сечение, сравнимое с фиг.3А, показывает, что структурированную пластину 57 впоследствии заключают между изолирующими герметизирующими слоями 70. Эти слои 70 прикрепляют к пластине 57, например, при помощи клея, чтобы обеспечить непроницаемое для жидкости соединение и конструктивную целостность, то есть, сохранение относительного расположения частей 61, 62 пластины на противоположных сторонах каналов. При этом формируется основной канал 2 и вторичные каналы 21,22, 23 в том смысле, что пластина 50 и материал изолирующих герметизирующих слоев 70 образуют боковые, верхнюю и нижнюю стенки, соответственно, каналов 2, 21, 22, 23.
Хотя одна такая структурированная и герметизированная пластина 57 уже воплощает собой настоящее изобретение, устройство 100 для очистки, предпочтительно, включает набор таких структурированных пластин 57, всегда разделенных изолирующими герметизирующими слоями 70, как показано на фиг.3F. Хотя структура каналов в различных пластинах может отличаться, предпочтительно, различные пластины обладают взаимно идентичной конструкцией. В любом случае, их соответствующие входы 28 и выходы 24, 25 находятся на одной прямой. Кроме того, в этом наборе при помощи механического устройства сделаны сквозные отверстия 71, 72, 73, например, просверлены или пробиты; они совпадают с соответствующими входами 28 и выходами 24, 25, поэтому соответствующие входы 28 всех пластин соединены друг с другом, то же относится к соответствующим выходам 24 продукта, и выходам 25 отходов. Для удобства показано только одно сквозное отверстие. Следует отметить, что при выполнении сквозных отверстий удаляются указанные мостиковые участки 66, 67, 68, поэтому части 61, 62 пластин после этого становятся изолированными друг от друга. На наборе пластин устанавливают концевые устройства, сообщающиеся с указанными отверстиями 71, 72, 73, соответственно, для подсоединения наружного трубопровода, как ясно специалистам в данной области.
Аналогично, в наборе сверлят или пробивают сквозные отверстия 74, 75, совпадающие с фрагментами 61, 62 пластин и в каждое сквозное отверстие помещают электропроводный штырь 76 и т.п., осуществляющий электрическое соединение множества пластин в наборе, например, с использованием электропроводного клея. Указанные штыри образуют электрический зажим для подсоединения соответствующего источника тока (не показан).
На фиг.4А представлен вид сверху одного из примерных вариантов осуществления структурированной пластины 57, на котором показан возможный вариант осуществления конструкции для данной структуры каналов. В этом варианте осуществления в пластине 57 имеется четыре основных канала 2, соединенных параллельно, входы которых соединены с общим входом 28. Каналы 2, 22, 23 изображены белыми, электропроводный материал пластины затемнен. Имеется четыре выхода 24 продукта, которые всегда расположены по ходу потока непосредственно после разветвления 20, так что длина четырех первых вторичных каналов 21 всегда, практически, равна нулю. Также имеется четыре пары выходов 25 отходов. В данном случае, внешние каналы 22, 23, принадлежащие одному основному каналу 2, не встречаются в общем выходе отходов. Места для сверления сквозных отверстий указаны пунктирными линиями. Можно видеть, что до сборки каждый внешний канал заканчивается индивидуальным выходом, тогда как после сборки набора и выполнения соответствующих сквозных отверстий внешние каналы 22 двух соседних основных каналов 2 встречаются в одном общем выходе, то же самое относится к внешним каналам 23 двух соседних основных каналов 2. При подсоединении устройства 100 все выходы отходов соединяют друг с другом снаружи набора пластин, однако для простоты картины это не показано.
На фиг.4В приведен вид сверху, сравнимый с фиг.4А, демонстрирующий сквозные отверстия. Имеется два электрических зажима для совместного подсоединения к первому потенциалу источника тока и два электрических зажима для совместного подсоединения к другому потенциалу источника тока, всегда расположенных диаметрально противоположно друг другу. Для ясности части материала с противоположной полярностью показаны взаимно по-разному затемненными. Можно видеть, что по всей длине извивающегося основного канала 2 одна сторона канала (например, левая сторона) всегда контактирует с материалом с первой полярностью, тогда как противоположная сторона этого канала (например, правая сторона) всегда контактирует с материалом со второй полярностью. Также можно видеть, что вторичные каналы по всей своей длине всегда контактируют с материалом с той же полярностью, что и сторона канала, от которой вторичный канал отходит.
На фиг.5 показан вид сверху другого примерного варианта осуществления структурированной пластины 57, демонстрирующий возможный вариант осуществления конструкции структуры канала, специально разработанной для использования во взаимодействии с бытовыми приборами. В данном варианте осуществления пластина 57 включает двадцать основных каналов 2, соединенных параллельно, входы которых соединены с общим входом 28. Каналы 2, 22, 23 изображены белыми, электропроводный материал пластины затемнен.
Имеется четыре выхода 24 продукта, в каждом из которых встречается пять вторичных каналов продукта 21. Имеется двадцать два выхода 25 отходов, из которых восемнадцать соответствуют двум вторичным каналам отходов. Места сверления сквозных отверстий показаны пунктирными линиями. Можно видеть, что до сборки каждый внешний канал заканчивается индивидуальным выходом, тогда как после сборки набора и выполнения соответствующих сквозных отверстий внешние каналы 22 двух соседних основных каналов 2 встречаются в одном общем выходе, то же самое относится к внешним каналам 23 двух соседних основных каналов 2. При подсоединении устройства 100 все выходы отходов соединяют друг с другом снаружи набора пластин, однако для простоты картины это не показано.
Размер пластины равен 5 см х 5 см. Устройство для очистки включает набор из четырех подобных пластин, следовательно, устройство включает 80 соединенных параллельно каналов. При толщине пластины 1 мм и тонкости изолирующих герметизирующих слоев 1 мм, общая толщина устройства составляет около 1 см.
Ширина каналов составляет 50 мкм, длина основного канала 2 (от входного конца до точки разветвления) равна 25 см. При давлении на входе 2,5 бар скорость потока составляет около 25 см/с. Таким образом, время удерживания воды в устройстве равно, примерно, 1 с. Общий объем каналов 2 составляет около 1 Mr. Таким образом, производительность устройства равна, примерно, 3,6 л/ч.
Подведем итог: настоящим изобретением обеспечивается способ регулирования концентрации ионов в жидкости, при этом данный способ включает стадии:
- создание основного потока 1 жидкости;
- создание в основном потоке поперечного электрического поля при помощи электродов, которые электрически непосредственно контактируют с жидкостью;
- отведение потока 11 продукта из центральной области основного потока жидкости и потоков 12, 13 отходов из областей основного потока жидкости, находящихся ближе к указанным электродам.
Хотя изобретение было пояснено и подробно описано посредством чертежей и приведенного выше описания, специалистам в данной области ясно, что такое пояснение и описание следует рассматривать как пояснение или пример, а не как ограничение. Настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами его осуществления; напротив, в объеме охраны настоящего изобретения, определяемом прилагаемой формулой изобретения, возможны некоторые изменения и модификации.
Например, настоящее изобретение может быть использовано для регулирования концентрации ионов в иных жидкостях, нежели вода.
Кроме того, следует отметить, что эффективность очистки зависит от напряжения на электродах. Таким образом, возможно создание устройства для очистки, предусматривающего регулируемую пользователем настройку напряжения на электродах с целью, таким путем, регулирования эффективности очистки и, следовательно, вкуса воды на выходе в соответствии со вкусовыми предпочтениями пользователя.
Другие изменения раскрытых вариантов осуществления изобретения могут быть установлены и произведены специалистами в данной области в ходе практической реализации заявленного изобретения на основании изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В этой формуле слово «включающий» не исключает других элементов или стадий, неопределенные артикли «а» или «an» (в тексте на английском языке) не исключают множественности. Единый процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких единиц оборудования, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт, что определенные меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения не является указанием на то, что не может быть с успехом использовано сочетание этих мер. Компьютерная программа может храниться/распространяться на соответствующем носителе, таком как оптическое запоминающее устройство или транзисторный носитель, поставляемом вместе с другим аппаратным обеспечением или как его часть, однако, также может быть предложено к продаже в других формах, таких как по Интернету или посредством других кабельных или беспроводных телекоммуникационных систем. Какие-либо номера позиций в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения.