УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
DEVICE FOR ELECTROCHEMICAL PURIFICATION OF DRINKING WATER

Предлагаемое устройство относится к области питьевого водоснабжения, конкретно к устройствам электрохимической очистки питьевой воды, и может быть использовано в бытовых условиях для доочистки водопроводной воды, а также для очистки природных вод и доведения физико-химических, санитарно-эпидемиологических и органолептических свойств до соответствия требованиям, предъявляемым к питьевой воде.
Электрохимические методы позволяют наиболее эффективно очищать воду от антропогенных примесей (Миклашевский Н.В., Королькова С.В. Чистая вода. Системы очистки и бытовые фильтры. СПб.: ВХВ-Санкт-Петербург, издат. группа «Арлит», 2000, с.154).
Известно устройство, реализующее способ электрохимической очистки питьевой воды по патенту RV 2043308, содержащее емкость, в которой размещен пакет электродов с растворимым анодом, а также емкость с фильтровальным элементом. Устройство содержит также источник питания и управления с понижающим трансформатором и выпрямителем, подсоединенным к сети переменного тока и к электродам устройства.
Известно также устройство для электрохимической очистки питьевой воды по патенту №2180322, содержащее источник питания, емкость реактора с расположенным в ней пакетом растворимых электродов и установленным в ее полости подвижным обратным конусом и емкость фильтра с фильтровальным элементом, причем в нижней части в емкости реактора параллельно пакету растворимых электродов расположен пакет электродов с нерастворимым анодом, а источник питания преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.
Указанное устройство по патенту №2180322 по максимальному количеству сходных существенных признаков (емкость с пакетом электродов с растворимым анодом, емкость с фильтровальным элементом, легкоизвлекаемый обратный конус) принимается за прототип.
Недостатками выбранного за прототип устройства являются малая эффективность удаления шлама, собирающегося у горловины емкости с пакетом электродов, попадание оставшегося в емкости реактора избытка шлама на фильтровальный элемент и существенное сокращение ресурса фильтровального элемента до регенерации, быстрая пассивация (через 40-60 включений) растворимого электрода.
Целью настоящего технического решения является повышение эффективности удаления шлама из емкости реактора и, как следствие, улучшение эксплуатационных характеристик устройства (ускорение процесса электрофлотокоагуляции, обеспечение эффективной флотации хлопьев образовавшегося коагулянта, увеличение срока работы растворимых электродов за счет «торможения» процесса их пассивации, увеличение ресурса фильтровального элемента, а также качественное улучшение физико-химических, санитарно-эпидемиологических и органолептических свойств характеристик очищаемой воды).
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в нижней части емкости, содержащей пакет электродов с растворимым анодом под этим пакетом, установлен пакет электродов с нерастворимым анодом.
Источник питания и управления дополнительно оснащен блоком делителя частоты для подачи напряжения питания с частотой 12 Гц ± 1 Гц или 3 Гц ± 1 Гц на пакет электродов с растворимым анодом и оснащен блоком переключения напряжения питания с пакета электродов с растворимым анодом на основе сплавов алюминия, работающих только при режиме электрокоагуляции, на пакет электродов с нерастворимым анодом, представляющим собой титановую пластину или пластину из нержавеющей стали с нанесенным на поверхность оксидом рутения, либо титановую пластину, напыленную платиной, либо графитовую пластина и пр., подключаемых по завершении режима электрокоагуляции и работающих в течение рассчитанного времени.
Введение признаков в качестве заявленных не только ускоряет, но и существенно усиливает процесс электрофлотации, т.к. за счет работы пакета электродов с нерастворимым анодом резко возрастает концентрация в обрабатываемой воде возникающих в результате электролиза тонкодиспергируемых пузырьков газа (в основном, электролитического водорода), являющихся рабочим органом процесса электрофлотации. Это способствует депассивации растворимого электрода (Н.А.Изгарышев, С.В.Горбачев. Курс теоретической электрохимии. М., - Л.: Госхимиздат. 1951. Пассивность металлов. С.423-440), быстрой и концентрированной флотации образовавшегося в процессе электрокоагуляции коагулянта к поверхности, увеличению плотности коагулянта на поверхности емкости с электродами, что, в свою очередь, способствует качественному его удалению.
«…с помощью мельчайших газовых пузырьков флотируются практически все тонкодисперсные вещества, гидроксиды тяжелых металлов, полимеры, жиры, нефтепродукты, латексы, продукты органического синтеза, поверхностно-активные вещества и т.д.» (Флотационные методы в технологии очистки воды и опытах применения. Баку. АзНИИНТИ, 1990, с.2).
Источник питания и управления оснащен блоком делителя частоты для подачи напряжение питания с частотой 12 Гц ± 1 ГЦ и 3 Гц ± 1 Гц на пакет электродов с растворимым анодом при работе устройства в режиме электрокоагуляции.
Введение этих признаков в качестве заявленных позволяет при работе устройства в режиме электрофлотокоагуляции создавать в воде частотные вибрации, выполняющие роль резонансных вибраций, способствующих разрушению энергетических центров и распаду структуры клетки бактерий и вирусов. При этом происходят химические изменения внутриклеточного вещества микроорганизмов, бактерий, спор, грибов, разложение их (в частности, на воду и углекислый газ) и прекращение их жизнедеятельности (Широков В.Г. «Резонанс в физике, химии и биологии». Ижевск, Изд. Дом «Удмурдский университет», 1-92, 2001; Слесарев В.И. «Химия. Основы химии живого». Санкт-Петербург. Химиздат, 2005).
Источник питания и управления оснащен блоком включения световой индикации в момент начала процесса электрокоагуляции и отключения световой индикации с одновременным включением звуковой сигнализации по завершению работы устройства.
Из уровня техники не выявлено решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого технического решения. Поэтому можно считать, что предложенное техническое решение соответствует уровню изобретения.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, где представлена конструктивная схема предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство, так же как и прототип, содержит источник питания и управления, емкость реактора 2 с пакетом электродов 3, фильтровальную емкость 4 с фильтровальным элементом 5, установленным с возможностью вертикального перемещения, обладающим плавучестью открытым сверху легко извлекаемым обратным конусом 6 с вертикальной ручкой 7, и воронку 8 с кольцевым магнитом 9.
В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве в нижней части емкости реактора 2 под пакетом электродов с растворимым анодом 3 установлен пакет электродов с нерастворимым анодом (например, титановая пластина или пластина из нержавеющей стали с нанесенным на поверхность оксидом рутения, либо титановая пластина, напыленная платиной, либо графитовая пластина и пр.) 10.
Источник питания и управления является источником постоянного тока и оснащен блоком переключения напряжения питания 11 с пакета электродов с растворимым анодом 3 на пакет электродов с нерастворимым анодом 10, блоком 13 включения (выключения) световой индикации 14 и звуковой сигнализации 12 и блоком делителя частоты 15, подающим напряжение питания с частотой 12 Гц ± 1 Гц и 3 Гц ± 1 Гц на пакет электродов с растворимым анодом 3.
Работа устройства
Из емкости реактора 2 извлекают обратный конус 6 за вертикальную ручку 7. На емкость реактора 2 устанавливают воронку 8 с кольцевым магнитом 9 и через нее заливают в емкость реактора 2 исходную воду до рассчитанного уровня. Снимают воронку 8. Включают источник питания 1 в сеть переменного тока (например, 220 В, 50 Гц). На пакет электродов 3 подается выпрямленный ток (12÷36 Вольт). Блок 13 подает питание на включение световой индикации 14 о начале процесса очистки воды. Катоды пакета электродов 3 выделяют в воду электролитический водород, а анод из сплавов алюминия растворяется, выделяя ионы алюминия в водном растворе. Образуется гидроксид алюминия, который коагулирует, сорбируя из воды вредные примеси, и в виде хлопьев поднимается (флотирует) под действием пузырьков электролитического водорода к поверхности.
Одновременно на аноде образуется атомарный кислород, который активно окисляет органические примеси и обеззараживает воду и вместе с электролитическим водородом способствует процессу электрофлотации.
В режиме электрокоагуляции на пакет электродов 3 в рассчитанные промежутки времени через блок делителя частоты 15 последовательно с изменением интенсивности и длительности подается напряжение питания с частотой 12 Гц ± 1 Гц и 3 Гц ± 1 Гц, что резко увеличивает возможность устройства по обеззараживанию воды. Процесс, например, выглядит следующим образом. В режиме электрокоагуляции через рассчитанный промежуток времени прекращают воздействие поля постоянного тока с одновременным включением воздействия поля с частотой 12 Гц ± 1 Гц, прекращают через рассчитанный промежуток времени воздействие поля с частотой 12 Гц ± 1 Гц с одновременным возобновлением воздействия поля постоянного тока, прекращают через рассчитанный промежуток времени воздействие поля постоянного тока с одновременным включением воздействия поля с частотой 3 Гц ± 1 Гц, прекращают через рассчитанный промежуток времени воздействие поля с частотой 3 Гц ± 1 Гц с одновременным возобновлением воздействия поля постоянного тока. Последовательность, интенсивность и длительность воздействия полей рассчитываются заранее.
После завершения рассчитанного времени электрокоагуляции источник питания 1 через блок переключения 11 автоматически отключает пакет электродов 3 и подключает пакет электродов 10. Начинается процесс активной электрофлотации.
Возникающие в результате электролиза с резко возрастающей концентрацией тонкодиспергированные пузырьки газа (в основном, электролитический водород) поднимают к поверхности не только хлопья коагулянта, как это происходит при работе прототипа устройства, но и практически все тонкодиспергированные взвеси, увеличивая плотность коагулянта на поверхности емкости реактора 2, что способствует его качественному удалению конусом 6.
После рассчитанного времени активной электрофлотации источник питания 1 автоматически отключает пакет электродов 10 и в емкости реактора 2 протекает процесс отстаивания обработанной воды.
Поскольку обработанная вода при этом содержит мельчайшие пузырьки электролитического водорода и кислорода, процесс отстаивания продолжает сопровождаться флотацией. В результате, практически все хлопья коагулянта (шлама) и тонкодисперсные взвеси собираются у горловины емкости реактора 2.
По завершении процессов отстаивания блок 13 отключает световой индикатор 14, подключает блок 12 и включает звуковую сигнализацию, извещающую об окончании процесса очистки.
Обратный конус 6 погружают в реактор 2. При этом выдавливается некоторый объем обработанной воды вместе со шламом и сливается в емкость конуса 6. По окончании слива обратный конус 6 извлекают из емкости реактора 2, шлам сливают и промывают конус 6 проточной водой.
Воду из емкости реактора 2 переливают в емкость 4, где она фильтруется через фильтровальный элемент 5 и поступает к потребителю.
Для проверки эффективности предлагаемых технических решений была собрана экспериментальная модель на базе образца, выпускаемого серийно («Устройство для электрохимической очистки питьевой воды» - патент на полезную модель №36824).
5
Обработанная вода анализировалась по следующим показателям: железо общее, медь, мутность, цветность, водородный показатель, перманганатная окисляемость, нитраты, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Кроме того, искусственным путем в воду добавлялась зараженная бульонная культура E.coli K12F+S12-2 в концентрации 7·10.
Методы испытаний соответствуют требованиям ГОСТ Р51232-98
Результаты испытаний
Железо общее мг/л
исх. - 0,37
обр. - 0,02
ПДК - 0,3
Медь мг/л
исх. - 0,79
обр. - 0,13
ПДК - 1,0
Мутность ЕМФ/л
исх. - 8,1
обр. <0,4
ПДК - 2,6
Цветность, град
исх. - 76
обр. <3
ПДК - 20
Водородный показатель (рН)
исх. - 6,0
обр. - 7,1
ПДК 6,0-9,0
Перманганатная окисляемость, мг/л
исх. - 4,29
обр. <0,25
ПДК - 5,0
Нитраты, мг/л
исх. - 6,8
обр. - 0,9
ПДК - 45
Величина концентрации в 1 мл воды зараженной бульонной культуры
исх. - 7·10<sup>5</sup>
обр. - не обн.
ПДК - 50
Окислительно-восстановительный потенциал
исх. «+230»
обр. «-350» - «-700» и более по абсолютной величине
Получили водный антиоксидант
ОВП, миливольты
В результате анализа бесчисленного количества замеров ОВП обработанной воды получаем независимо от воды исходной (водопроводной, из водоемов, колодцев, скважин, бутылированной и т.д.) мощный водный АНТИОКСИДАНТ, ОВП которого «-350» - «-700» и более по абсолютной величине со всеми присущими известным антиоксидантам свойствами. Полученная вода доброкачественна, эпидемиологически безопасна, полноценна по солевому составу, кислотно-щелочной баланс ее всегда нейтрален.
Полученные результаты показывают, что введение предложенных технических решений эффективно, соответствует цели изобретения.