СПОСОБ ЭЛЕКТРООБРАБОТКИ ВОДЫ В УСТАНОВКЕ ПОЛУЧЕНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОАГУЛЯЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ELECTROTREATMENT OF WATER IN APPARATUS FOR OBTAINING DRINKING WATER THROUGH ELECTROCHEMICAL COAGULATION AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к способам и устройствам электрохимической очистки воды и может быть использовано в бытовых условиях и для улучшения питьевого водоснабжения предприятий общественного питания, лечебных и детских учреждений, офисов и пр. Технология электрохимической коагуляции, первоначально разработанная для очистки сточных вод, сегодня адаптирована для получения питьевой воды высокого качества, значительно превышающего уровень, установленный нормативным документом «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. СанПиН 2.1.4.1074-01». Технологический процесс, обеспечивающий такое качество, включает в себя следующие стадии: электрообработку в электродном блоке с растворимыми анодами, коагуляцию и флотацию в накопительной емкости (реакторе), отделение образовавшегося шлама.
Известен способ электрохимической очистки воды и устройство для его осуществления (Патент РФ №2180322, МПК С02Р 1/463, С02Р 1/465, опубл. 03.10.02 г.). Устройство содержит реактор с пакетом параллельных растворимых электродов, в котором пакет растворимых электродов установлен непосредственно над электродами электрофлотации в нижней части реактора, верхняя часть которого выполнена в форме усеченного конуса, на котором закреплена емкость шламосборника, при этом на верхнем отверстии реактора установлена крышка в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающая плавучестью.
Способ электрохимической очистки питьевой воды включает ее обработку с использованием пакетов растворимых электродов с последующим фильтрованием, при этом исходную воду обрабатывают пакетом параллельных растворимых электродов и электрофлотацией одновременно в режиме заполнения емкости водой, после наполнения которой пакет параллельных растворимых электродов отключают и обрабатывают воду в непроточном режиме электрофлотацией, после подъема образовавшегося коагулянта к поверхности электрофлотацию отключают, коагулянт сливают, а обработанную воду фильтруют механическим фильтром.
Известно также устройство для электрохимической очистки питьевой воды и способ его работы (Патент РФ №2236381, МПК С02Р 1/463, С02Р 1/465, опубл. 20.09.04 г.). Устройство содержит электродный блок электрокоагуляции с пакетом параллельных катодов и растворимых анодов, электроды электрофлотации и реактор, в верхней части которого закреплена емкость шламосборника, при этом на верхнем отверстии реактора установлена крышка в форме обратного конуса с возможностью вертикального перемещения, обладающая плавучестью, при этом электродный блок электрокоагуляции с пакетом параллельных катодов и растворимых анодов и электродами электрофлотации выполнен в отдельном корпусе, в верхней части которого размещены электроды электрокоагуляции, а в нижней части - электроды электрофлотации, при этом аноды электрофлотации и электрокоагуляции установлены соосно, а катоды являются общими для обеих групп электродов, причем снизу установлен входной патрубок, а сверху патрубок, соединяющий электродный блок с емкостью шламосборника. Устройство содержит блок коммутации, меняющий полярность анодов пакета электродов электрокоагуляции после заполнения емкости шламосборника. Аноды пакета электродов электрокоагуляции выполнены из сплавов алюминия, катоды электродов электрокоагуляции и электрофлотации выполнены из нержавеющей стали, а аноды электрофлотации - из малоизнашиваемых материалов.
Известно также устройство для очистки сточных вод (патент SU 1611880, 07.12.90), работающее в проточном режиме, где электрообработка воды осуществляется в системе электродов, находящейся в общем корпусе устройства, состоящей из монополярных анода и катода и биполярных плоскопараллельных растворимых электродов, наклоненных в сторону монополярного катода. Поток обрабатываемой воды направлен сверху вниз по наклонным межэлектродным промежуткам. Образующиеся на анодных поверхностях гидроксиды металла коагулируют в хлопья, поднимающиеся наверх за счет механизма флотации. Процесс электрообработки совмещен по времени и пространству с процессом коагуляции и флотации. Ограничение по времени обусловливает неполную коагуляцию гидроксидов металла растворимых электродов за время прохождения воды через электродную систему. Остаточная концентрация их в очищенной воде, допустимая для технической воды, существенно превышает ПДК, регламентируемые СанПиН 2.1.4.1074-01. Формирование хлопьев из низкоконцентрированных суспензий требует длительного времени, что достижимо в установках с накопительной емкостью (реактором). Конструкция устройства, представленная в описании патента SU 1611880, 07.12.90, не имеет быстросъемных узлов электродной системы, что обусловливает значительные временные затраты при обслуживании в процессе эксплуатации.
Из рассмотренных аналогов изобретения наиболее близким к изобретению аналогом - прототипом следует признать устройство для электрохимической очистки питьевой воды и способ его работы (Патент РФ №2236381, МПК С02Р 1/463, С02Р 1/465, опубл. 20.09.04 г.).
В известных устройствах получения питьевой воды методом электрохимической коагуляции исходную воду подвергают комплексному воздействию электрического тока, создаваемому системой растворимых электродов, имеющих гальванический контакт с внешним источником электрической энергии при параллельном соединении электродов. Процессы, имеющие место при электрообработке воды, находят свое продолжение в накопительной емкости (реакторе) в процессах коагуляции, сорбции, флотации шлама, в котором содержатся в нерастворимом виде вещества, загрязнявшие исходную воду. Образовавшийся шлам сравнительно легко удаляют из воды путем объемной механической фильтрации. Основным звеном в технологической цепочке является процесс электрообработки исходной воды.
Известные технические решения реализуют этот процесс путем создания электрического тока с помощью системы электродов, гальванически связанных непосредственно с источником электроэнергии. Это определяет параллельную схему соединения электродов и необходимость защиты гальванических контактов от воздействия воды. Электроды должны быть достаточно прочными для сохранения формы, что обусловливает их толщину, значительно превышающую толщину слоя материала электрода, растворяющегося в процессе электрообработки до образования плотной пленки, препятствующей дальнейшему растворению.
Недостатки известных технических решений заключаются в сложности обеспечения надежного гальванического контакта и необходимости трудоемкой периодической механической зачистки поверхности электродов от наслоений, затрудняющих выход материала электродов в воду. Это увеличивает трудозатраты на обслуживание устройств. Устройства трудно адаптировать к различным составам очищаемой воды и под установки различных производителей.
Технический результат предлагаемого изобретения - снижение трудозатрат на обслуживание устройства, расширение его функциональных возможностей путем адаптации к любому составу воды и требованиям производителей устройств, повышение экономичности за счет снижения потерь материала растворимых электродов, неизбежных при механической зачистке, простота в изготовлении и обслуживании устройства, повышение надежности устройства.
Технический результат достигается тем, что в рассматриваемом способе электрообработки воды в установке получения питьевой воды методом электрохимической коагуляции, включающем ее обработку с использованием электродного блока, исходную воду подают под давлением в электродный блок, расположенный в отдельном герметичном разборном корпусе с быстродействующим соединением его частей (байонетное соединение или многозаходовое резьбовое соединение), через верхнюю крышку корпуса в нижнюю часть съемной кассеты, откуда поток воды, меняя направление на противоположное, проходит через межэлектродные промежутки растворимых и нерастворимых электродов. Вода, подвергнутая электрообработке, вместе с продуктами электрохимических реакций выливается через верх кассеты в корпус, отводится из него также через верхнюю крышку корпуса и под давлением направляется в виде сильной струи в накопительную емкость, сообщающуюся с атмосферой. Повышенное давление в электродном блоке обусловливает активное растворение выделяющихся при электролизе кислорода и водорода. Струя воды, выходящая из электродного блока под давлением в накопительную емкость, сообщающуюся с атмосферой, создает в ней турбулентное движение, способствующее активному развитию процесса коагуляции, а снижение давления в накопительной емкости по сравнению с давлением в электродном блоке ускоряет процесс образования пузырьков газа на хлопьях шлама и соответственно флотации.
Устройство для электрообработки воды в рассматриваемой установке получения питьевой воды методом электрохимической коагуляции представляет собой электродный блок, выполненный в водонепроницаемом разборном корпусе с подводящим и отводящим водоводами. Электродная система, выполненная из двух групп электродов - растворимых и нерастворимых, расположена в съемной кассете, выполненной из диэлектрического материала с направляющими пазами, по которым кассета устанавливается на нерастворимую группу электродов, выполненную в виде двух П-образных плоскопараллельных электродов, закрепленных на верхней крышке корпуса и соединенных с внешним источником питания. Растворимая группа электродов выполнена в виде прямоугольных электродов, свободно лежащих в направляющих пазах кассеты, обеспечивающей взаимно параллельное расположение электродов и направление потока воды. Подводящий и отводящий водоводы расположены на верхней крышке корпуса, а корпус соединяется с крышкой быстросъемным соединением (например, байонетным или многозаходовым резьбовым).
Кассета выполнена из диэлектрического материла, представляет собой съемную конструкцию, одеваемую на нерастворимые электроды, закрепленные на верхней крышке корпуса, с помощью направляющих пазов. Наружные нерастворимые электроды входят в пазы кассеты на всю ее высоту. В пазы, расположенные между пазами для нерастворимых электродов, устанавливаются растворимые электроды Длина этих пазов меньше высоты кассеты. Растворимые электроды включаются в электрическую цепь последовательно через воду в межэлектродных промежутках.
Растворимые электроды выполнены из чередующихся алюминиевых и железных электродов, при этом соотношение площадей железных и алюминиевых электродов может находиться в пределах от 0 до 1, в зависимости от содержания железа в очищаемой воде. Корпус выполнен разборным и водонепроницаемым, может иметь форму цилиндра или параллелепипеда.
Введение указанных признаков в способ и устройство для его осуществления обеспечивает исключение необходимости непосредственного гальванического контакта растворимых электродов с внешними электрическими цепями и позволяет выбрать толщину электродов, достаточно малую для эффективного использования материала электродов без их зачистки. Алюминиевые электроды, изготовленные из фольги толщиной 0,1 мм, были выработаны практически на всю толщину. Для обеспечения необходимой механической жесткости этим электродам был придан волнистый профиль.
Варьируя площадью электродов, их числом и шириной межэлектродного промежутка, можно легко адаптировать конструктивные параметры электродного блока и электрические параметры источника электропитания к конкретным требованиям разработки. Адаптация технологического процесса электрохимической коагуляции к химическому составу исходной воды (содержанию железа) легко осуществляется необходимым соотношением алюминиевых и железных электродов в электродном блоке.
Остальные функциональные узлы установки могут выполняться по известной схеме: после электродного блока вода поступает в накопительную емкость (реактор), образовавшийся шлам удаляется с помощью системы дренажа и объемного механического фильтра.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками изобретения. Поэтому можно считать, что предложенные технические решения (способ и устройство для его осуществления) соответствуют условию изобретательского уровня.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на чертеже представлен схематичный вариант конструкции электродного блока. Устройство для электрообработки воды в установке получения доброкачественной питьевой воды методом электрохимической коагуляции содержит две группы электродов: растворимые 1 и нерастворимые 2. Растворимые электроды 1 имеют прямоугольную форму и свободно лежат в пазах кассеты 4. Нерастворимые П-образные электроды 2 закреплены на крышке разборного водонепроницаемого корпуса 5 и соединены с внешним источником питания 3. Корпус 5 может иметь форму цилиндра или параллелепипеда. Разборка и сборка корпуса осуществляется в вертикальном направлении (в цилиндрическом корпусе используется многозаходное резьбовое соединение). Кассета 4 выполнена из диэлектрического материала. Растворимые электроды 1 выполнены из сплавов алюминия и железа. Соотношение площадей железных и алюминиевых пластин в наборе зависит от содержания железа в исходной воде и может достигать 1. Электроды изготавливаются из тонкой фольги, толщина которой позволяет максимально использовать материал электродов для растворения и перевода в гидроксиды. Для увеличения жесткости электродам придается волнистый профиль.
Установка получения питьевой воды, в которой реализуется предлагаемый способ электрообработки воды, так же, как и прототип, включает в себя источник электропитания, блок электрообработки воды, накопительную емкость (реактор), систему сброса шлама в дренаж и механический объемный фильтр для удаления остатков шлама.
В отличие от прототипа по предлагаемому способу воду, подлежащую очистке, обрабатывают в электродном блоке при повышенном давлении, способствующем насыщению воды газами и созданию турбулентного движения воды в накопительной емкости, тем самым ускоряя процессы коагуляции и флотации.
Способ электрообработки воды в установке получения питьевой воды методом электрохимической коагуляции осуществляется следующим образом. Исходная вода, предназначенная для очистки, через входной водовод 6 поступает в нижнюю часть кассеты, откуда, изменив направление движения на противоположное, движется восходящим потоком в межэлектродных промежутках, образованных растворимыми 1 и нерастворимыми 2 электродами. Напряжение от внешнего источника электропитания 3, приложенное к нерастворимым электродам 2, создает ток в последовательной цепи, состоящей из алюминиевых и железных растворимых электродов 1 и водных прослоек, находящихся между этими электродами. Каждый из растворимых электродов 1 одной поверхностью выступает в роли анода, с которой происходит растворение металла в воде, а другой поверхностью - в роли катода, на поверхности которого протекают восстановительные реакции. Вся вода, проходящая через электродный блок, подвергается одинаковому воздействию электрического напряжения и тока, что гарантирует одинаковую обработку всего объема воды, прежде всего - ее надежное обеззараживание. Кислород и водород, образовавшиеся при электролизе, в значительной мере растворяются в воде благодаря повышенному давлению в электродном блоке. Принудительный поток облегчает вынос из межэлектродных промежутков продуктов электрохимических реакций, замедляя скорость загрязнения поверхностей электродов. С той же целью можно периодически менять полярность напряжения на нерастворимых электродах.
После электрообработки вода через выходной водовод 7 поступает струей под давлением в нижнюю часть накопительной емкости (реактора) установки получения питьевой воды, где создает турбулентное движение, способствующее активному развитию процесса коагуляции.
2
2
Наилучшие условия для образования и созревания коагулянта создают путем оптимизации электрических параметров в цепях электродного блока. При этом исходят из оптимизации плотности тока и количества электричества, пропущенного через единицу объема воды. От плотности тока зависит прежде всего выход металла с поверхности растворимых анодов. В различных устройствах, работающих на основе электрохимической коагуляции, плотность тока лежит в диапазоне от единиц до сотен миллиампер на квадратный сантиметр площади анода. При плотности тока меньше 1 мА/см существенно снижается производительность и количество материала, выпущенного в воду в качестве центров коагуляции. При плотности тока больше 100 мА/см повышается опасность нежелательных побочных процессов. Количество электричества, пропущенного через единицу объема обрабатываемой воды, необходимое для изменения ее структуры (приближения к структуре талой воды), составляет от 50 до 200 кулонов на литр воды. При количестве электричества менее 50 кулонов получается незавершенность процесса изменения структуры воды, происходит недостаточный выход материала анода для эффективного протекания процесса коагуляции. При количестве электричества более 200 кулонов происходит неоправданно большой расход электроэнергии и материала анода.
Время электрообработки воды в электродном блоке в разных по производительности установках составляет 3-15 минут.
Промышленный выпуск установок, работающих по технологии электрохимической коагуляции, содержит ряд моделей, обеспечивающих производительность от десятков до тысяч литров в час питьевой воды высокого качества.