УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Полезная модель относится к устройствам для очистки и обеззараживания и обработки питьевой воды и может быть использовано, во всех областях деятельности человека, в которых требуется применение и использование питьевой воды.
Предшествующий уровень техники
2+
2+
2+
3+
2+
2+
2+
2+
В результате техногенной деятельности человека пресная вода многих поверхностных и подземных источников оказалась загрязненной вредными примесями. Кроме того, в воде увеличилось содержание ионов металлов, оказывающих токсическое действие на организм человека при любых, даже самых малых концентрациях, например Нg, Pb Cd, а также возросли до вредных концентрации ионов, полезных только в микроколичествах, таких как Fe Fe, Cu, Zn, Ni и др.
В этих условиях в процессах очистки питьевой воды одно из важнейших мест занимают стадии обработки, позволяющие перевести растворенные в воде примеси в нерастворимую форму с последующим удалением этих примесей. При этом необходимо создать условия, при которых возможна сорбция на частицах нерастворимых примесей других растворенных соединений и их совместное удаление.
На практике для очистки воды и регулирования ее состава используются устройства для фильтрационных и сорбционных методов очистки [см., например, Л. А. Кульский и др. "Технология очистки природных вод", Киев, Высшая школа, 1981, стр. 190-223,358-370].
Однако с помощью фильтрационных или сорбирующих устройств невозможно задержать все вредные вещества и сохранить полезные. В фильтрационных устройствах происходит концентрирование содержащихся в воде полезных или вредных веществ на поверхности фильтрующих элементов (мембран, сорбентов или ионообменных материалов), что приводит в первую очередь к задерживанию микроорганизмов, к ускоренному их размножению и усиленному выделению микробных токсинов в воду при одновременном резком снижении фильтрующей, сорбирующей или ионообменной способности активных элементов водоочистительного устройства.
Известны установки, реализующие методы очистки воды, основанные на вводе химических реагентов, что позволяет перевести растворенные примеси в
нерастворимое состояние [см., например, Л. А. Кульский и др. "Технология очистки природных вод", Киев, Высшая школа, 1981, стр. 117 - 132]. Эксплуатация таких устройств сопряжена с большим расходом реагентов, необходимостью строго соблюдать правила техники безопасности, тщательно доочищать воду, так как многие реагенты оказывают вредное влияние на организм человека. Кроме того, такие установки невозможно использовать в бытовых условиях, например для доочистки водопроводной воды, качество которой во многих регионах не соответствует установленным стандартам.
В настоящее время в области водоподготовки, в том числе и в бытовых условиях, широко применяются устройства для обработки воды, включающие стадии электрохимической обработки в электролизерах как с разделенным, так и с неразделенным межэлектродным пространством, позволяющие упростить процесс обработки.
Известно устройство для электрохимической обработки воды и/или водных растворов в котором осуществляют обработку исходной воды в катодной камере диафрагменного электрохимического реактора с последующим отделением взвешенных примесей во флотационном реакторе, работающем под давлением и выполненном в виде герметичной цилиндрической емкости с тангенциальным вводом [ см., например, патент РФ №2091320, С 02 F 1/461, 1996]. Обработка осуществляется при однократном протоке обрабатываемой воды снизу верх через катодную камеру. При этом через анодную камеру также снизу вверх подается очищенная вода из флотационного реактора, а слив из него выводится в дренаж.
Недостатком известного решения является невозможность отделения взвешенных веществ только за счет электролизных газов, что требует подачи в обрабатываемую среду дополнительного количества воздуха и приводит к усложнению процесса. Кроме того, в известном решении образуется значительное количество стоков, выводимых в дренаж. Также недостатком известного решения является то, что из двух возможных факторов повышения биологической ценности воды - увеличение активности электронов и разрывы водородных связей в кластерах, - используется только второй, в то время как активность электронов в исходной и очищенной воде остается почти без изменения.
Наиболее близким решением, по технической сути и достигаемому результату, является установка для реализации способа электрохимической обработки питьевой воды, содержащая два электрохимических диафрагменных реактора, анодные и катодные камеры которых имеют автономные узлы ввода и вывода, причем обрабатываемая вода подается в анодную камеру первого реактора, из анодной камеры поступает в промежуточную емкость, далее в емкость с катализатором и затем направляется на обработку в катодную камеру второго реактора, откуда через флотатор и дополнительную емкость с катализатором направляется потребителю. В катодной камере первого реактора и в анодной камере второго циркулирует вспомогательный электролит [см., например, патент РФ №2149835, С 02 F 1/461, 1999]. Известное устройство, выбранное в качестве прототипа, позволяет повысить степень очистки воды, повысить ее биологическую ценность.
Однако известное устройство является сравнительно сложным, кроме того требует повышенных затрат на его обслуживание, так как содержит емкости с катализатором, и требует организации процесса циркуляции вспомогательного электролита.
Техническим результатом использования настоящей полезной модели является упрощение и удешевление устройства, а также расширение его функциональных возможностей технического решения за счет обеспечения возможности получения очищенной воды разного уровня биологической ценности, в том числе и получение воды, обладающей лечебными свойствами.
Указанный результат достигается тем, что в установке для обработки питьевой воды, содержащей два электрохимических диафрагменных реактора, в каждом из которых анодная и катодная камеры снабжены автономными вводами и выводами, линию подачи обрабатываемой питьевой воды, соединенную с вводом анодной камеры первого реактора, линию вывода обработанной воды, соединенную с выводом катодной камеры второго реактора, промежуточную емкость, емкость с катализатором, гидравлическое сопротивление и дренажную линию, соединенную с выводом анодной камеры второго реактора, вывод анодной камеры первого реактора соединен первой линией перетока с катодной камерой того же реактора, вывод катодной камеры первого реактора соединен второй линией перетока с вводом катодной камеры второго реактора, на первой линии перетока последовательно по ходу обрабатываемой воды установлены, промежуточная емкость и емкость с катализатором, и перед промежуточной емкостью установлено приспособление для отвода части обработанного потока воды, выполненное, например, в виде тройника, и это приспособление соединено с входом в анодную камеру второго реактора, а на линии соединения установлено гидравлическое сопротивление.
Установка может дополнительно содержать флотационный реактор с входом в средней и выходами в верхней и нижней частях, дополнительную дренажную линию с дополнительным гидравлическим сопротивлением и дополнительную линию отвода воды с регулируемым вентилем, причем флотационный реактор установлен на второй линии перетока и его вход соединен с выводом катодной камеры первого реактора, нижний выход флотационного реактора соединен с входом катодной камеры второго реактора, дополнительная дренажная линия соединена с верхним выходом флотационного реактора, а дополнительная линия вывода воды с регулируемым вентилем соединена со второй линии перетока между флотационным реактором и вводом в катодную камеру второго реактора.
Промежуточная емкость может быть выполнена цилиндрической с тангенциальным вводом.
Флотатор также может быть выполнен цилиндрическим.
Емкость с катализатором имеет вход в верхней и вывод в нижней частях и предпочтительно выполнена цилиндрической. В качестве катализатора в установке может быть использован углеродоксидномарганцевый катализатор, эффективно разрушающий остатки активного хлора, образовавшегося в анодной камере.
На линии подачи обрабатываемой воды может быть установлено устройство для магнитной обработки воды, которое позволяет изменить биологические свойства воды и использовать ее для лечения органов пищеварения, нормализации артериального давления и т.п. Кроме того, такая обработка позволяет значительно уменьшить отложение солей жесткости на электродах электрохимических реакторов.
Реакторы установки могут быть выполнены сборными из модульных электрохимических ячеек, каждая из которых содержит каждая из которых содержит
стержневой анод, цилиндрический катод, размещенную между ними цилиндрическую керамическую диафрагму, разделяющую межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, причем анод, катод и диафрагма вертикально и коаксиально установлены в верхнем и нижнем диэлектрических приспособлениях и приспособления снабженны узлами соответственно ввода в анодную и катодную камеры, и вывода из анодной и катодной камер. Кроме того, каждый из реакторов может быть снабжен автономным источником питания, что позволяет осуществлять работу установки в разных режимах - в режиме «питьевая вода», и в режиме «лечебные растворы».
Обработка воды в установке по данной полезной модели последовательно в анодной камере первого реактора, промежуточной емкости, емкости с катализатором и последовательно в катодных камерах первого и второго электрохимического реактора позволяет окислить вредные примеси в анодной камере, эффективно использовать окислительно-восстановительные процессы, проходящие после обработки воды в анодной камере, удалить остатки активного хлора и продукты окисления в емкости с катализатором, сбалансировать рН в первой по ходу воды катодной камере и повысит биологическую ценность воды путем финишной обработки в катодной камере второго реактора.
Размещение на линии перетока из анодной камеры первого реактора приспособления для отвода части обработанного потока воды, и размещение перед вводом в анодную камеру второго реактора гидравлического сопротивления позволяет регулировать гидравлический режим работы электродных камер реакторов, регулировать скорость протока в них, и как следствие, режим обработки, а также регулировать количество дренажного слива.
Выполнение цилиндрической промежуточной емкости с тангенциальным вводом позволяет организовать вихревое движение обрабатываемой воды в промежуточной емкости, увеличивает время выдержки в ней, обеспечивает интенсивное перемешивание, что приводит к интенсификации окислительно-восстановительных процессов в объеме воды, прошедшей обработку в анодной камере.
Такую схему обработки воды целесообразно применять при наличии органических загрязнений и сравнительно небольшом количестве растворенных металлов.
Установка может дополнительно содержать флотационный реактор с входом в средней и выходами в верхней и нижней частях, что целесообразно использовать в случае обработки воды, содержащей большое количество растворенных металлов, которые переходят в нерастворимую форму в результате обработки в катодной камере.
Флотационная очистка воды протекает во флотационном реакторе, в который под давлением поступает вода после катодной обработки в электрохимическом реакторе, насыщенная электрически активными микропузырьками водорода. Целесообразно применение цилиндрических герметичных флотаторов с тангенциальным вводом жидкости, что позволяет отделить до 90% всех флотируемых частиц при сокращении времени процесса.
Кроме того отвод части потока также позволяет регулировать гидравлический режим обработки в катодной камере второго реактора и интенсифицировать процесс обработки в ней. выпадают в флотатационный реактор установлен на второй линии перетока и его вход соединен с выводом катодной камеры первого реактора, нижний выход флотационного реактора соединен с входом катодной камеры второго реактора, флотатационный реактор установлен на второй линии перетока и его вход соединен с выводом катодной камеры первого реактора,
нижний выход флотационного реактора соединен с входом катодной камеры второго реактора,
Наличие дополнительной линии вывода воды с регулируемым вентилем позволяет расширить функциональные возможности установки, так как позволяет получать воду, прошедшую обработку разной интенсивности, например воду, прошедшую обработку в анодной камере, промежуточной емкости, емкости с катализатором, катодной камере и в флотационном реакторе, а также воду, обработанную по этой схеме с включением финишной обработки в катодной камере второго реактора.
То, что реакторы установки могут быть выполнены сборными из модульных электрохимических ячеек, каждая из которых содержит каждая из которых содержит стержневой анод, цилиндрический катод, размещенную между ними цилиндрическую керамическую диафрагму, разделяющую межэлектродное пространство на анодную и катодную камеры, позволяет расширить спектр установок по производительности, так как позволяет собирать по одной схеме установки разной производительности. При необходимости увеличения производительности установка может быть дополнена необходимым числом ячеек. Кроме того облегчается обслуживание установки, так как замена дефектных ячеек может быть осуществлена практически без остановки работы установки.
Установка анода, катода и диафрагмы вертикально и коаксиально в верхнем и нижнем диэлектрических приспособлениях, которые снабжены узлами соответственно ввода в анодную и катодную камеры, и вывода из анодной и катодной камер позволяет осуществлять обработку в оптимальном гидравлическом режиме при протоке обрабатываемой воды снизу вверх.
Обработку целесообразно осуществлять с использованием диафрагмы из керамики на основе оксида циркония, что позволяет эффективно регулировать электромиграционный перенос ионов через диафрагму электрохимического реактора и удалять из воды избыточное количество ионов, в том числе ионов тяжелых металлов, нитратов, нитритов. Регулирование скорости и селективности электромиграционного переноса достигается изменением плотности электрического тока и перепадом давления на диафрагме. Материал диафрагмы позволяет сохранять стабильность физико-химических и фильтрационных ее характеристик.
Краткое описание фигур чертежей
Схемы установок по настоящей полезной модели представлены на фиг.1-2. На фиг.1 представлена установка без флотационного реактора. На фиг.2 представлена установка с флотационным реактором и дополнительным дренажным выводом.
Установка для обработки питьевой воды (фиг.1) содержит первый диафрагменный проточный электрохимический реактор 1, представляющий собой либо единичный диафрагменный проточный электрохимический модульный элемент, либо блок этих элементов, соединенных гидравлически параллельно. Катодная 2 и анодная 3 камеры реактора имеют входы в нижней части и выходы в верхней. Выход анодной 3 камеры реактора 1 соединен линией перетока 4 с входом катодной 2 камеры реактора 1. На линии 4 последовательно установлены тройник 5, промежуточная емкость 6 и емкость с катализатором 7, Установка содержит второй электрохимический реактор 8 с анодной 9 и катодной 10 камерами. Выход катодной камеры 2 реактора 1 соединен линией перетока 11 с входом катодной 10 камеры реактора 8. Выход катодной 10 камеры реактора 8 соединен с линией 12 отвода очищенной воды. боковой вывод тройника 5 соединен линией 13с входом анодной 9
камеры реактора 8. На линии 13 установлено гидравлическое сопротивление 14. Вывод анодной 9 камеры реактора 8 соединен с линией 15 вывода анолита, которая может быть выводом в дренаж.
Линия подачи обрабатываемой воды 16 соединена с вводом в анодную 3 камеру реактора 1.
Установка может содержать флотационный реактор 17 (фиг.2), установленный на линии 11, при этом дополнительное гидравлическое сопротивление 18 установлено на дренажной линии 19, соединенной с верхним сливом флотационного реактора. Кроме того установка может дополнительно содержать тройник 20 установленный на линии 11, и регулировочные вентили 21 и 22, установленные соответственно на линии 12 и выводе тройника 20.
Установка работает следующим образом.
Обрабатываемая вода поступает по линии 16 в анодную 3 камеру реактора 1. В анодной камере, за счет прямого окисления на электроде, а также за счет окислительно-восстановительных реакций в растворе с участием окислителей и активных радикалов, которые образуются из солей, составляющих естественную минерализацию питьевой воды, происходит разрушение органических и других окисляемых примесей. Часть потока воды из бокового отвода тройника 5 по линии 13 направляется в анодную 9 камеру реактора 8 и выводится в дренаж. Соотношение потоков регулируется наличием гидравлического сопротивления 14 на линии 13. Основной же поток воды направляется далее в промежуточную емкость 6, в которой завершаются окислительно восстановительные процессы и вода выдерживается некоторое время, определяемое гидравликой процесса и соотношением объемов емкости и электродных камер реактора, после чего обрабатываемая вода поступает в емкость с катализатором.
В емкости с катализатором 7 осуществляется очистка воды от гидроксидов тяжелых металлов, в том числе, железа и других коллоидных взвесей.
В емкости с катализатором 7 создаются условия для электростатического удерживания коллоидных частиц в зоне диффузионных слоев, образованных у электрохимически активных в восстановительной среде поверхностей минеральных кристаллов. Работа емкости 7 основана на использовании электрокинетических явлений. Благодаря толстым диффузным ионным слоям Гуи-Чэпмена, окружающим минеральные частицы активной массы реактора, вода с низким окислительно-восстановительным потенциалом свободно протекает сквозь его загрузку, оставляя в диффузионных слоях активной массы емкости 7 коллоидные частицы и другие коллоидные взвеси. Регенерация активной массы емкости 7 осуществляется промывкой слабым раствором соляной кислоты с рН=1... 2 в среднем после 30 часов работы.
После обработки в емкости с катализатором 7 обрабатываемая вода поступает в катодную 2 камеру реактора 1 и далее, по линии перетока 11 в катодную 10 камеру реактора 9, откуда по линии 12 подается потребителю.
-
-
-
-
n+
-
n+
3
2
2
2
2
2
2
2,
aq
n
Основными процессами при обработке воды в катодных камерах являются электролитическое, а также гетерофазное и жидкофазное электрокаталитическое восстановление воды и содержащихся в ней веществ. При катодной обработке вода также насыщается высокоактивными восстановителями: ОН, НО , HO, HO ,HO , Oe. Это приводит к образованию нерастворимых гидроксидов тяжелых металлов (Ме + nОН → Ме(ОН)). Кроме того, в катодной камере происходит прямое электролитическое восстановление (на поверхности электрода), а также электрокаталитическое восстановление (в объеме воды с участием катализаторов-переносчиков и гидратированных электронов) многозарядных катионов тяжелых металлов: Ме е → Ме°. Указанные процессы снижают токсичность воды,
обусловленную наличием ионов тяжелых металлов, в тысячи раз за счет перевода их в естественную устойчивую, биологически неактивную форму существования в природе.
Обработку воды с повышенным содержанием металлов, целесообразно проводить в установке, содержащей флотационный реактор (фиг.2). В этом случае обрабатываемая вода по линии 16 также поступает первоначально в анодную 3 камеру реактора 1, откуда по линии 4 выводится и в тройнике 5 разделяется на два потока. Меньшая часть по линии 13 через гидравлическое сопротивление 14 поступает в анодную 9 камеру реактора 8 и по линии 15 выводится из цикла обработки. Основной поток проходит промежуточную емкость 6, емкость с катализатором 7 и после обработки в катодной 2 камере реактора 1 вода, имеющая окислительно-восстановительный потенциал не менее минус 400 мВ относительно хлорсеребряного электрода сравнения и содержащая ионы тяжелых металлов в форме нерастворимых гидроксидов поступает в флотационный реактор 17.
2
2
2
2
aq
-
-
-
Эта вода насыщена электрически активными микропузырьками водорода. Размеры микропузырьков водорода находятся в пределах 0,2 - 10 мкм. Электрическая активность пузырьков водорода обусловлена тем, что на границе раздела фаз "газ-жидкость" сосредоточены электрохимически активные неустойчивые продукты катодных реакций, такие, как НO , НO , O , e. На этой же границе концентрируются нерастворимые гидроксиды металлов и другие коллоидные частицы.
Флотируемые примеси из флотационного реактора 17с частью потока, объем которого регулируется гидравлическим сопротивлением 18, выводится в дренаж по линии 19.
Осветленный поток из флотационного реактора 17 по линии 11 поступает на обработку в катодную 10 камеру реактора 8 и далее, по линии 12 подается потребителю. В случае, если финишная обработка в катодной 10 камере реактора 8 не является необходимой, то с помощью регулировочных вентилей 21 и 22, по линии 11 из тройника 20 может также направляться потребителю очищенная вода.
Варианты конкретного осуществления
Полезная модель иллюстрируется следующими примерами, которые однако не исчерпывают всех возможных вариантов ее осуществления.
Во всех примерах использовались электрохимические реакторы по патенту РФ №2078737 с коаксиально установленными цилиндрическим и стрежневым электродами и коаксиально же установленной между ними керамической ультрафильтрационной диафрагмой из керамики на основе смеси окислов циркония, алюминия и иттрия (соответственно 60, 37 и 3% масс) и толщиной 0,7 мм. Длина ячейки составляла 200 мм, а объемы электродных камер составляют 10 мл -катодной камеры и 7 мл анодной.
Пример 1. Исходная вода, содержащая 10000 микробных клеток в 1 мл, органические вредные вещества (фенолы, гербициды, ПАВ) в количестве 1,6 мг/л, соединения тяжелых металлов в количестве 2 мг/л, подвергалась очистке в соответствии со схемой установки на фиг.1. Степень отчистки от микробов составила 99,991%, от органических веществ - 90%, от ионов тяжелых металлов 87%.
Пример 2. Исходная вода того же состава, что и в примере 1 подвергалась предварительной в соответствии со схемой установки, приведенной на фиг.2. Степень отчистки составила соответственно 99,999%, 90% и 90%. Кроме того, на установке была получена вода с повышенными биологическими свойствами. Так,
через вентиль 22 при расходе воды 60-70 л/час и токе 500 ма отводится питьевая вода с рН порядка 7. При закрытом вентиле 22, расходе 20-ЗОл/час и токе 1000 маможно получать лечебные растворы (анолит и католит). При закрытом вентиле 22 расходе воды 60-70 л/час и токе 500ма на выходе из вентиля 21 получают воду, имеющую рН 8,5 обладающую свойствами, которые можно охарактеризовать как многократно усиленный эффект весенних грозовых ливней, облегчающая использование полученной воды клетками живого организма и ускоряющая выведение шлаков.
Как следует из представленных данных использование полезной модели позволяет эффективно проводить очистку вод широкого состава.
Промышленная применимость
По сравнению с известным техническим решением полезная модель позволяет упростить и удешевить устройство, а также расширить его функциональные возможности за счет обеспечения возможности получения очищенной воды разного уровня биологической ценности, получаемой в результате процесса очистки питьевой воды, эффективно перевести растворенные примеси в нерастворимую форму, повысить степень очистки воды от взвешенных примесей и повысить ее биологическую ценность.