СПОСОБ И СИСТЕМА ОЧИСТКИ ВОДЫ
WATER TREATMENT METHOD AND SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области обработки воды замораживанием и предназначено для промышленного получения воды, очищенной от тяжелых примесей и со свойствами талой воды.
Уровень техники
Известен способ очистки воды (см. патент RU 2282596, МПК: C02F 9/08, C02F 1/22, опубл. 27.08.2006 г.), включающий первичное замораживание до перехода 4-5 мас.% воды в твердую фазу, которую удаляют, а оставшуюся часть воды замораживают, подвергая гидродинамической кавитации и удаляя центральную часть в количестве 4-5 мас.%.
Известен способ очистки воды (см. патент RU 2400433, МПК: C02F 1/22, опубл. 27.09.2010), включающий охлаждение воды в камере заморозки до полного замораживания, перенос в камеру оттаивания образовавшегося льда и его постепенное размораживание с фильтрованием талой воды через термостатируемый фильтр.
Известен способ очистки воды, включающий полное замораживание воды в сосуде и поэтапное оттаивание воды в перевернутом сосуде, предполагающий намораживание тяжелой воды на стенках сосуда и ее отделение как первично оттаиваемой со стенок сосуда в отдельную емкость (см. патент RU 2404131, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.11.2010).
Известен способ очистки воды путем ее замораживания (патент RU 2142914, МПК: C02F 1/22, опубл. 20,12.1999), включающий охлаждение емкости с водой до температуры замораживания с получением слоя чистого льда по контуру емкости в объеме 25-50% от начального объема воды и слоя дейтериевого льда толщиной 0,5-4 мм по обеим торцевым поверхностям, выливание остаточного рассола и размораживание чистого льда.
Каждый из вышеупомянутых способов позволяет осуществить очистку воды от так называемой «тяжелой» воды, содержащей тяжелые изотопы водорода и кислорода, из которых наиболее известны - дейтерий и тритий, и которые, как установлено многочисленными исследованиями, оказывают неблагоприятное воздействие на живые организмы, в том числе организм человека. Однако все вышеупомянутые способы имеют ограниченное применение - для малых объемов воды, т.к. предполагают удаление первично образующегося дейтериевого льда, перенос его в другую емкость и прочие операции, которые невозможно осуществить в условиях больших объемов.
Известны способы очистки воды, применяемые в промышленном водоснабжении, основанные на замораживании воды методом дождевания (разбрызгивания) в атмосфере с отрицательной температурой воздуха с образованием ледяного массива, и получение очищенной воды в результате последующего таяния этого массива (см. патент RU 2178389, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.01.2002, а также патент SU 1838244, МПК: C02F 1/22, опубл. 30.08.1993 г.). Однако эти способы обеспечивают очистку воды только от рассолов и механических примесей, и не позволяют очистить воду от т.н. тяжелой воды.
Известен способ очистки воды (см. патент RU 2274607, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 г.), включающий замораживание воды в закрытой емкости с образованием льда ≈70% от общего объема воды, слив незамерзшего рассола с примесями, и размораживание льда, которое осуществляют в два этапа: сначала размораживают 93-95% от общего объема льда, удаляя талую чистую воду через фильтр тонкой очистки, а затем размораживают оставшийся лед, содержащий тяжелые изотопы, и удаляют его в отдельную емкость. Талую воду для более полной очистки от тяжелых изотопов подвергают кратковременному замораживанию с получением 3-7% льда от объема воды, который также удаляют. Однако полное замораживание воды на первом этапе делает экономически нецелесообразным применение этого способа для очистки больших объемов воды.
В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого способа принят способ очистки питьевой воды, имеющий место при работе установки по патенту на изобретение RU 2128144, МПК: C02F 1/22, C02F 9/00, опубл. 27.03.1999 г. Способ включает охлаждение воды до перехода в лед части воды, содержащей тяжелые изотопы, слив незамерзшей, очищенной от «тяжелой», воды для последующего ее полного замораживания и оттаивания с получением талой воды, и растапливание оставшегося льда в той же емкости с последующим его удалением по отдельной линии.
Недостатком этого способа является невозможность обеспечения высокого качества очистки воды при больших объемах используемых емкостей. Однократное замораживание воды позволяет вывести из воды всего около 4% тяжелых изотопов.
Известно устройство для очистки воды, включающее емкость для воды с коническим днищем, отверстием для слива воды и средствами замораживания и нагревания, связанными с блоком управления, емкость для сбора очищенной воды и емкость для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия (см. патент на полезную модель RU 83068, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.05.2009).
Известно устройство для очистки воды путем ее замораживания, включающее резервуар для воды, имеющий съемные крышку и дно, оснащенные средствами заморозки и нагрева и выполненные с выемками на внутренних поверхностях для намораживания в них льда (см. патент на изобретение RU 2058262, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.04.1996).
Однако оба вышеупомянутых устройства предназначены для бытового домашнего использования.
Известна промышленная опреснительная установка, предназначенная для очистки воды путем вымораживания с использованием естественных климатических факторов (см. патент на изобретение RU 2255902, МПК: C02F 1/22, опубл. 10.07.2005). Установка включает накопитель очищаемой воды, накопитель очищенной опресненной воды, насосные станции с подводящими напорными трубопроводами, льдоплощадку с противофильтрационным экраном, оградительными валами, отсечной дреной и водовыпусками, аппараты зимнего дождевания для намораживания ледяного массива, системы каналов для собирания рассолов и опресненной воды, контрольно-измерительный комплекс, энергетическую установку и устройство для нагрева воздуха и его подачи в коллектор. Упомянутая установка обеспечивает очистку воды от рассолов, однако она не может быть использована для очистки воды от тяжелых изотопов водорода.
В качестве наиболее близкого, по назначению и наличию сходных конструктивных признаков, аналога для заявляемого устройства принята установка для очистки питьевой воды (см. патент на изобретение RU 2128144, МПК: C02F 1/22, C02F 9/00, опубл. 27.03.1999 г.). Установка содержит, по меньшей мере, две сообщенные между собой емкости со средствами охлаждения и нагрева, первая из которых снабжена линией слива тяжелой воды, а последняя - линией слива очищенной воды. Вода охлаждается в первой емкости до перехода в лед части воды, содержащей тяжелые изотопы. Незамерзшая вода переливается во вторую емкость, где она полностью замораживается и затем растапливается с получением талой воды. Лед с повышенным содержанием тяжелых изотопов, оставшийся в первой емкости, растапливается и удаляется отдельно. Установка позволяет получать свободную от тяжелой воды питьевую воду, обладающую свойствами талой воды, однако она также предназначена для небольших объемов и использования в домашних условиях.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа и системы очистки, позволяющих осуществлять очистку воды от содержащихся в ней тяжелых изотопов в промышленных масштабах и с надлежащим качеством, в том числе за счет использования естественных климатических факторов.
Одним положительным техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является повышение качества очистки воды от тяжелых изотопов, независимо от объема очищаемой воды.
Другим положительным результатом является возможность получения тяжелой воды с высокой концентрацией тяжелых изотопов, что позволяет использовать ее для промышленных целей.
Вышеупомянутая задача решена, и технические результаты достигнуты благодаря тому, что в способе очистки воды, включающем охлаждение воды до перехода в лед части воды, содержащей тяжелые изотопы, слив незамерзшей воды для последующего ее полного замораживания и оттаивания с получением талой воды, и растапливание льда, оставшегося после слива, в той же емкости, согласно заявляемому изобретению, охлаждение осуществляют, по меньшей мере, в две стадии, на каждой из которых воду охлаждают при постоянном перемешивании до перехода в лед 10-20% воды от ее начального объема, при этом на каждую последующую стадию подают незамерзшую воду с предыдущей стадии, а растопленный лед, возвращают на предыдущую стадию, добавляя его к охлаждаемой воде, растопленный лед с первой стадии, имеющий наибольшее содержание тяжелых изотопов, удаляют в накопитель для последующего использования.
Вышеупомянутая задача решена также за счет предлагаемой системы очистки воды, содержащей, по меньшей мере, две сообщенные между собой емкости со средствами охлаждения и нагрева, из которых первая емкость снабжена линией слива тяжелой воды, а последняя - линией слива очищенной воды.
Новым в предлагаемой системе очистки является выполнение емкостей для воды в виде бассейнов с перекрытием, обеспечивающим возможность доступа атмосферного воздуха, оснащенных средствами перемешивания воды и последовательно сообщенных между собой линиями слива незамерзшей воды и линиями возврата растопленного льда, при этом линия слива очищенной воды последней емкости соединена с установкой для получения талой воды, включающей средства намораживания льда и льдохранилище.
Повышение качества очистки воды, при больших объемах последней, достигается благодаря многоступенчатости очистки, осуществляемой последовательно на нескольких стадиях, аналогичных друг другу. На каждую последующую стадию подают воду уже частично очищенную от тяжелых изотопов и повторяют действия, аналогичные осуществленным на предыдущей стадии. В результате с каждой последующей стадией повышается степень очистки воды.
Оставшийся в емкости после слива очищенной воды лед, имеющий повышенное содержание тяжелых изотопов, растапливают и возвращают на предыдущую стадию очистки, что позволяет получить сырье для извлечения «концентрированной» тяжелой воды. Так, при обычной одноступенчатой очистке концентрация тяжелых изотопов в удаляемом льду невелика, 4-5%. В заявляемом же решении, вода, подвергаемая очистке на первой стадии, в результате действий возврата растопленного льда с предыдущей стадии, имеет гораздо более высокую концентрацию тяжелых изотопов. В результате выделяемая в виде льда тяжелая вода также характеризуется повышенной концентрацией тяжелых изотопов. Именно такая тяжелая вода может быть использована для промышленных целей, в частности, в атомной энергетике.
Таким образом, заявляемый способ не только позволяет повысить качество очистки воды, как выходного продукта, но и получить дополнительный выходной продукт - «концентрированную» тяжелую воду, являющуюся «отходным» продуктом очистки, что не достигается другими известными способами очистки воды.
На каждой стадии осуществляют перемешивание воды, что способствует выравниванию температуры по всему объему емкости и обеспечению условий выделения в твердую фазу тяжелой воды равномерно по всему объему.
Оптимальное количество стадий составляет 3÷5 и определяется необходимой степенью очистки.
Для осуществления многоступенчатой очистки предлагаемая система содержит последовательно размещенные однородные элементы - бассейны для охлаждения воды, оснащенные средствами перемешивания, нагрева и охлаждения и связанные между собой системой подводящих и отводящих трубопроводов.
Для возможности использования при замораживании воды естественных климатических условий конструкция бассейнов предполагает наличие легкого перекрытия, которое может убираться, открывая доступ к воде холодного атмосферного воздуха (зимой). Однако не исключена и возможность принудительного охлаждения.
Растапливание льда возможно как в естественных условиях, например при закрытии подвижного перекрытия бассейна и прекращении доступа холодного атмосферного воздуха, так и с применением принудительного обогрева.
Очищенную от тяжелых изотопов, облегченную воду направляют на полное замораживание для последующего получения из нее талой воды. Для полного замораживания очищенной воды используют дождевальные установки, например известные аппараты зимнего дождевания. Ледяной массив формируют в льдохранилище, которое имеет, предпочтительно пирамидальную форму.
Наклон стенок такого льдохранилища способствует хорошему восприятию тепла и его теплопередачи ко льду. Пирамидальная форма хранилища, с расширением стенок книзу, обеспечивает возможность естественного и постепенного опускания массы льда.
2
Угол наклона боковых граней (стенок) льдохранилища к его основанию предпочтительно составляет 70,5°±0,5°. Выбор упомянутого угла наклона обусловлен тем, что кристаллиты льда представляют собой пространственные многогранные фигуры с углом между гранями 70,5°. Последнее объясняется формой элементарной ячейки воды, представляющей собой тетраэдр, содержащий связанные между собой водородными связями пять молекул воды HO. При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи, за счет которых простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя разнообразные пространственные фигуры, базовой из которых является гексагональная (шестигранная) структура, когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединены в кольцо (материалы энц. Википедия). Такой тип структуры характерен для льда, снега и талой воды, а характерным углом между гранями является угол в 70,5°.
Благодаря тому, что наклон стенок пирамиды в 70,5° к горизонту соответствует углу ледяной горы при таянии, таяние льда в таком льдохранилище идет с образованием равномерного воздушного промежутка между льдом и стенкой, что способствует прохождению процесса таяния без обрушения массива льда. Талая вода, двигаясь сверху вниз, всегда попадает на нерастаявший лед и вынуждена двигаться между его частицами, при этом происходит многократная сепарация, разделение воды: молекулы тяжелой воды примерзают к частицам льда, а молекулы легкой воды вымываются изо льда. В результате к основанию пирамиды приходит дополнительно облегченная вода, а во льду концентрируется тяжелая вода.
При большем угле наклона происходит обрушение льда, и воздушный промежуток забивается. В результате талая вода спускается по стенке и, вследствие пористости последней, проникает наружу и испаряется, охлаждая стенку. Все это удлиняет сроки оттаивания и способствует образованию высолов на стене.
При угле наклона менее 70°, снижается объем и высота ледяного массива, в результате чего уменьшается путь талой воды через лед и снижается эффективность ее разделения (сепарации) на тяжелую и легкую воду.
Перекрытие бассейна может быть выполнено из двух полусфер, одна из которых установлена стационарно, а другая - с возможностью поворота на пол-оборота с заходом под первую полусферу.
Для возможности принудительного нагрева (и охлаждения) бассейны оборудованы системой труб, вмонтированных в стенки и дно бассейна. По трубам, в зависимости от необходимости осуществляется либо подача теплой воды, предпочтительно бросовой воды электростанций или геотермальных источников, либо хладагента. Линия слива тяжелой воды из первого бассейна соединена с накопителем тяжелой воды.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 - технологическая схема предлагаемой системы очистки воды;
на фиг.2 - бассейн для охлаждения воды, общий вид;
на фиг.3 - вид А с фиг.2;
на фиг.4 - представлена таблица результатов лабораторных исследований образцов воды.
Осуществление изобретения
1
n
Система очистки воды (см. фиг.1) содержит каскад 1 из бассейнов (Б-Б) и установку 2 для получения талой воды.
1
n
Бассейны (Б-Б) последовательно сообщены между собой линиями 3 слива незамерзшей воды и линиями 4 возврата тяжелой воды (растопленного льда), в которых могут быть установлены аккумулирующие емкости 5 для тяжелой воды.
1
n
Первый в последовательном каскаде бассейн Б имеет линию 6 слива тяжелой воды, связанную с накопителем тяжелой воды 7. Последний бассейн Б соединен линией 3 слива незамерзшей воды с установкой 2 для получения талой воды, включающей аппараты 8 дождевания и льдохранилище 9 пирамидальной формы, с углом а наклона боковых граней к основанию, составляющим около 70,5°.
1
n
Бассейны (Б-Б) для охлаждения воды выполнены (см. фиг.2-3) в виде однотипных сооружений 10 с подвижным перекрытием, образованным из двух полусфер 11 и 12, одна из которых установлена стационарно, а другая - с возможностью смещения (поворота) на пол-оборота под первую, что обеспечивает доступ атмосферного воздуха во внутреннее пространство бассейна. Каждый бассейн оснащен перемешивающим устройством 13 и средствами принудительного нагрева и охлаждения (не показаны). Средства принудительного нагрева и охлаждения могут быть выполнены в виде вмонтированных в дно и стенки бассейна труб для подачи теплоносителя или хладагента. Возможно также использование электрических нагревателей.
Для определения наиболее оптимального и экономически целесообразного периода охлаждения воды были проведены лабораторные исследования образцов воды, взятых на разных стадиях заморозки, результаты исследований приведены в таблице (фиг.4).
Для лабораторных исследований были представлены следующие образцы: образец №1 - обычная водопроводная вода (без очистки), образец №2 - вода после однократной заморозки с образованием 6% льда, образец №3 - вода после однократной заморозки с образованием 10% льда, образец №4 - вода после однократной заморозки с образованием 15% льда, образец №5 - вода после однократной заморозки и образования 20% льда, образец №6 - вода после однократной заморозки и образования 25% льда, образец №7 - растопленный лед, полученный при переходе в лед 15% воды.
18
18
16
Лабораторные исследования образцов воды проводились методом изотопного анализа кислорода и водорода воды (δО и δD) в лаборатории стабильных изотопов. Подготовка проб воды осуществлялась стандартным методом высокотемпературного пиролиза воды на углероде. Для определения изотопных отношений О/О и D/H в образцах воды использовали высокотемпературный конвертер ТС/ЕА (ThermoQuest, Bremen, Germany) соединенный с изотопным масс-спектрометром MAT 253 (ThermoQuest, Bremen, Germany), работающий в режиме непрерывного потока гелия.
18
18
o
o
oо
oo
Результаты измерений δD и δО приведены в отношении к международному стандарту VSMOW. Погрешность определения δD и δО (2σ) составила 0.8/ и 0.2/ (n=5) соответственно.
Как видно из таблицы, результаты лабораторных исследований воды, оставшейся после перехода в лед 6% воды (образец №2), существенно не отличаются от результатов анализа простой водопроводной воды (образец №1).
При переходе в лед 25% от начального объема воды (образец №6) существенного повышения качества очистки воды, по сравнению с образцом, где льда было 20%, уже не происходит, что делает неоправданными, экономически нецелесообразными затраты электроэнергии на охлаждение воды, т.к. они не приносят существенных результатов.
Наилучшие результаты очистки воды от тяжелых изотопов показывают образцы №3, №4 и №5.
Таким образом, при переходе в лед 10-20% воды от ее первоначального объема происходит наибольший переход в лед тяжелых изотопов, что действительно для любой стадии очистки воды. Отличается лишь числовое выражение процентного содержания выделенной тяжелой фракции, которое уменьшается с каждой последующей стадией.
Способ очистки воды осуществляют следующим образом.
1
Заполняют бассейн Б водой из пруда-накопителя 14, открывают перекрытие бассейна, поворачивая полусферу 12, для обеспечения доступа холодного атмосферного воздуха. Охлаждают воду до t=0+3°С и выдерживают при упомянутой температуре, осуществляя постоянное перемешивание. В процессе такой выдержки происходит переход в лед части воды, отличающейся повышенным содержанием тяжелых изотопов, имеющих температуру замерзания около +3,8°С.
2
Когда объем льда составит около 10-20% от первоначального объема воды в бассейне, производят слив незамерзшей, «облегченной» воды в бассейн Б.
Контроль и измерение количества воды, переходящей в лед, осуществляется путем контроля общего объема воды в резервуаре. Известно, что при замораживании 100 объемов воды дают 109 объемов льда, т.е. объем воды увеличивается на 9% при переходе в лед. Таким образом, при переходе в лед 10% воды общий объем увеличится на 0,9%, а при переходе в лед 15% и 20% воды объем увеличится, соответственно на 1,35% и 1,8%.
Стенки резервуара жесткие и изменение объема отразится только на уровне воды - высоте заполнения резервуара. Зная начальную высоту заполнения резервуара, можно методом несложных математических вычислений определить, что например, при начальной высоте заполнения 3 м, при переходе в лед 15% воды, ее уровень в резервуаре поднимется на 40,5 мм. Увеличение уровня воды в резервуаре определяют датчиком уровня (на чертежах не показан).
1
После слива очищенной воды, оставшийся в бассейне Б лед с повышенным содержанием тяжелых изотопов растапливают: либо за счет естественного потепления, при закрывании подвижного перекрытия бассейна и прекращении доступа атмосферного воздуха, либо за счет принудительного обогрева бассейна путем подвода теплоносителя по трубам. Полученную в результате таяния льда тяжелую воду сливают в накопитель 7 по линии 6 слива тяжелой воды.
2
2
1
Производят повторное охлаждение воды в бассейне Б, при этом последовательность операций, аналогична действиям, проведенным в первом бассейне. Незамерзшую воду из бассейна Б направляют на последующую стадию, а растопленный лед, представляющий собой воду с повышенным содержанием тяжелых изотопов, возвращают на предыдущую стадию - в бассейн Б, вместе с новой порцией заливаемой в него воды. В результате чего повышается концентрация тяжелой воды в образующемся льду на этой стадии.
После каждого замораживания концентрация тяжелых изотопов в воде уменьшается. Таким образом, происходит многоступенчатая очистка воды от тяжелой воды, что позволяет добиться ее качественной очистки.
n
Незамерзшую очищенную воду с последней стадии очистки (бассейна Б) направляют в установку 2, где облегченную воду замораживают любым известным способом, например, устраивая высокий фонтан, используя известные установки типа «Град» (зимой), либо в формах. Полученный лед складируют в льдохранилище 9.
Для получения талой воды осуществляют таяние льда в льдохранилище 9 при t примерно 0+1°C, предпочтительно используя естественные природные климатические факторы. Однако не исключена возможность использования принудительного нагрева.
Пирамидальная форма льдохранилища и угол наклона его стенок способствует хорошему восприятию естественного тепла и его теплопередаче ледяному массиву, который под действием этого тепла постепенно опускается. При этом между стенкой и льдом образуется воздушный зазор, который обеспечивает возможность конвекции воздуха. Теплый воздух поднимается к верху пирамиды, прогревая в первую очередь верхушку ледяного массива, благодаря чему таяние льда происходит сверху. Талая вода, двигаясь сверху вниз, попадает на нерастаявший лед, двигаясь между его частицами. В процессе такого перемещения молекулы тяжелой воды примерзают к частицам льда, а молекулы легкой воды вымываются изо льда.
В результате к основанию пирамиды приходит дополнительно облегченная чистая талая вода, которая удаляется из процесса для последующего использования, а во льду концентрируется тяжелая вода. Последний нерастаявший в льдохранилище лед, около 2-5%, имеет более высокую концентрацию тяжелой изотопной формы, т.е. содержит повышенное количество тяжелых изотопов. Поэтому растапливают последний лед, удаляя полученную тяжелую воду в отдельную емкость и далее в накопитель 7 тяжелой воды.
Размещение нагревательных элементов в основании пирамиды льдохранилища позволяет ускорить процесс таяния и удаления упомянутого льда.
Накопленная в накопителе 7 тяжелая вода с повышенной концентрацией тяжелых изотопов направляется для дальнейшей переработки и использования в промышленных целях.