СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТИ
METHOD OF DECONTAMINATION OF FLUIDS

Изобретение относится к области деконтаминации питьевых и сточных вод и может быть использовано для очистки и обеззараживания плавательных бассейнов, природных водоемов и в медицинских стерилизаторах.
Известен способ стерилизации хирургических инструментов и устройство для его осуществления посредством воздействия на болезнетворные микроорганизмы обеззараживающих факторов, сопровождающих электрический разряд в жидкой и газовой среде [1]. Однако попеременное инициирование электрического разряда в жидкой и газовой среде, в устройствах, реализующих способ, требует дополнительных энергозатрат, а наличие механического узла, работающего в циклическом режиме, снижает их надежность.
Известен способ обеззараживания воды электрическими разрядами [2], когда электрический разряд инициируется и формируется в зоне вязкого перемешивания затопленной струи жидкости, истекающей из межэлектродного промежутка, выполненного в виде кольцевого сопла. Общая ось полых цилиндрических электродов перпендикулярна границе раздела жидкой и газовой фаз. Подачу струи жидкости осуществляют с помощью поршня, приводимого в движение индукционно-динамическим приводом, вдоль оси полого нижнего электрода и рабочего цилиндра, с последующим перпендикулярным поворотом перед выходом из сопла, образованного электродами. Кавитационные явления в зоне смешения струи облегчают инициирование электрического разряда, который принимает вид тонкой плазменной оболочки с развитой поверхностью излучения, повторяющей форму струи жидкости. Устройство, реализующее способ, работает в циклическом режиме: формируется струя жидкости, заданной длины, подается импульс электрического напряжения, выделяется энергия, поршень привода возвращается в исходное положение, полости электродов и рабочего цилиндра заполняются жидкостью. После того как емкостные накопители энергии привода и формирователя импульса, подаваемого на межэлектродный промежуток, зарядятся, устройство готово к следующему рабочему циклу.
Недостатками данного способа являются большие энергозатраты и время обеззараживания жидкости.
Техническим результатом данного изобретения является снижение энергозатрат и времени обеззараживания жидкости при повышении эффективности воздействия на болезнетворные микроорганизмы.
2
0
s
2
0
нас.
s
2
d2
d2
нас.
d2
b2
1
1
2
1
b
1
b
b
отв.
отв.
2
Для достижения указанного технического результата в известном способе обеззараживания жидкости импульсными электрическими разрядами, создаваемыми в соплообразном промежутке между полыми электродами, погруженными в жидкость, при котором первоначально перед подачей основного импульса напряжения U на электроды формируют затопленную струю жидкости путем осуществления перемещения жидкости в промежутке между электродами, при этом давление газа над поверхностью жидкости Р, скорость течения струи жидкости v и амплитуду основного импульса напряжения U устанавливают в соответствии с соотношениями: (Р-P)ρv ≤0,2; U/L>Е, где Р - давление насыщенных паров жидкости; ρ - плотность жидкости; L - длина разряда в затопленной струе жидкости; Е - пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка при истечении затопленной струи, предложено формирование затопленной струи жидкости осуществлять путем подачи предварительного импульса напряжения U на электроды, погружение которых производить на глубину Н=(1,5÷2,0)d, где d - наружный диаметр электродов, с установкой между ними зазора h=(0,05÷0,1)d, а время τ между предварительным импульсом напряжения U и основным импульсом напряжения U определять согласно соотношению: τ=2T+(2÷3)H/v, где T - период разряда емкостного накопителя энергии предварительного импульса напряжения, v - скорость расширения парогазового пузыря, сопровождающего начало истечения затопленной струи (определяется экспериментально, например, посредством высокоскоростной фоторегистрации - v≈100 м/с). Электроды размещают в жидкости таким образом, что их общая ось образует с поверхностью жидкости угол φ=0÷90°. В электродах выполнены группы отверстий, причем отношение суммарной площади S группы отверстий в каждом из электродов к площади S сопла, образованного электродами, устанавливают в пределах S/S=0,02÷0,03.
На чертеже представлен продольный разрез одной из возможных конструкций, в которой реализуется предложенный способ обеззараживания жидкости.
1
отв.
отв.
отв.
отв.
отв
2
На платформе-поплавке 1, выполненной в виде диска с отверстием в центре, с помощью держателей 2 и 3 соосно размещены полые цилиндрические электроды 4 и 5 так, что их общая ось OO образует со свободной поверхностью жидкости 6 угол φ=0°. Угол φ может изменяться от 0° до 90° известным способом с помощью держателей 2 и 3 или другого узла перемещения известной конструкции. Электроды 4 и 5 размещают на расстоянии Н=(1,5÷2,0)d, где d - наружный диаметр электродов 4 и 5, от поверхности жидкости 6. В электродах 4 и 5 выполнены группы отверстий 7, причем отношение суммарной площади S каждой из групп отверстий, размещенных в электродах 4 и 5, к площади кольцевого сопла, образованного электродами 4 и 5, - S устанавливают в пределах S/S=0,02÷0,03. S=πdh, где d - наружный диаметр электродов 4 и 5, h - межэлектродный зазор. S=nπ d /4, где n - количество отверстий в группе, d. - диаметр отверстия. Необходимый межэлектродный зазор h=(0,05÷0,1)d обеспечивают посредством перемещения электродов 4 и 5 в держателях 2 и 3. Полости электродов 4 и 5 заполнены жидкостью. Параллельно электродам 4 и 5 подключены цепь, состоящая из коммутатора 8 и емкостного накопителя энергии 9, а также цепь, состоящая из коммутатора 10 и емкостного накопителя энергии 11.
1
1
1
b1
b1
1
1
b
1
1
b
b
0
нас.
s
2
d2
b2
0
нас.
s
2
d2
b2
2
3
Емкостные накопители энергии 9 и 11 заряжают известным способом, затем подключают с помощью коммутатора 8 емкостной накопитель энергии 9 к электродам 4 и 5. Таким образом, к межэлектродному промежутку прикладывается предварительный импульс напряжения U. Амплитуду предварительного импульса напряжения U устанавливают согласно соотношению U>Еh, где Е - пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка в невозмущенной жидкости. При электрическом разряде образуется ударная волна, после выхода которой на свободную поверхность жидкости 6 возникает сходящаяся волна разгрузки. Это приводит к появлению кавитационных пузырьков в приповерхностном слое жидкости, которые затем захлопываются под действием атмосферного давления, что способствует продолжению процесса обеззараживания жидкости в объеме, значительно превышающем объем слоя жидкости, непосредственно окружающего канал электрического разряда. После того как емкостной накопитель энергии 9 полностью разрядится, электрический разряд гаснет и на его месте образуется парогазовый пузырь 12 расширяющейся в направлении свободной поверхности жидкости 6. На поверхности жидкости 6 возникает колоколообразный выброс, как при взрыве на небольшой глубине. Это увеличивает количество воздуха, растворенного в жидкости, а значит, стимулирует кавитационные процессы и образование сильнейшего антисептика озона из кислорода, содержащегося в воздухе под действием ультрафиолетового излучения электрического разряда. Электрический разряд в жидкости сопровождается световым излучением, генерацией ударных волн, пульсациями парогазового пузыря в послеразрядный период времени и другими факторами, губительно воздействующими на болезнетворные микроорганизмы. Одновременно с расширением парогазового пузыря в межэлектродном промежутке начинается истечение затопленной струи жидкости. Когда общая ось OO полых цилиндрических электродов 4 и 5 образует со свободной поверхностью жидкости 6 угол φ=0°, ось струи независимо от места кольцевого межэлектродного промежутка, где произошел пробой, всегда перпендикулярна свободной поверхности жидкости и направлена в противоположную сторону. Если φ=90°, направление движения струи диаметрально противоположно месту кольцевого межэлектродного промежутка, где произошел пробой. Поэтому струю можно использовать и для механической очистки поверхностей, например стенок бассейна, или промывки медицинских инструментов, размещая их в сетчатых контейнерах, установленных по направлению движения струи. Длина струи достигает оптимальной величины за время τ=2T+(2÷3)Н/v после подачи предварительного импульса напряжения U, где T - период разряда емкостного накопителя энергии предварительного импульса напряжения 9 (с), Н - глубина погружения межэлектродного промежутка (м), v - скорость расширения парогазового пузыря (м/с) (определяется экспериментально, например, посредством высокоскоростной фоторегистрации - v≈100 м/с). После этого подключают с помощью коммутатора 10 емкостной накопитель энергии 11 к электродам 4 и 5. Давление газа над поверхностью жидкости, скорость течения струи жидкости и амплитуду основного импульса напряжения устанавливают в соотношениях: (Р-Р)ρv ≤0,2; U/L>Е, где Р - давление газа над поверхностью жидкости (Па); Р - давление насыщенных паров жидкости (Па); ρ - плотность жидкости (кг/м); v - скорость течения струи жидкости (м/с); U - амплитуда основного импульса напряжения (В); L - длина разряда в затопленной струе жидкости (м); Е - пороговое значение напряженности электрического поля (В/м), при которой происходит пробой межэлектродного промежутка при истечении затопленной струи жидкости. В присутствии струи жидкости происходит снижение порогового напряжения пробоя и формирование пленочного разряда с развитой поверхностью излучения. Пробой развивается не по кратчайшему расстоянию между электродами, а в граничной области по огибающей струи, которая становится зоной инициирования разряда. Процессы истечения струи и заполнения полостей электродов 4 и 5 жидкостью через области межэлектродного промежутка, примыкающие к сектору истечения струи, и через отверстия 7 происходят одновременно. Емкостной накопитель энергии 11 разряжается и разряд гаснет. Емкостные накопители энергии 9 и 11 заряжают (за время зарядки происходит также полное восстановление электрической прочности межэлектродного промежутка). После окончания зарядки устройство, в котором реализуется способ обеззараживания жидкости, готово к следующему рабочему циклу. Устройства, в которых используется данный способ, могут работать с частотой 1-100 Гц.
Как показали эксперименты, использование данного способа позволяет снизить в 2,5 раза время обеззараживания жидкости и в 1,5 раза энергозатраты по сравнению с прототипом. Кроме того, способ обладает более широко направленным обеззараживающим действием за счет использования двух типов электрических разрядов с различными характеристиками (например, длиной волны излучения) за время одного рабочего цикла.
0
s
1
2
b1
b2
d2
1
1
2
-2
2
-5
-3
12
3
3
Приведем один из конкретных примеров реализации способа. Электродный узел погружен в техническую воду с проводимостью σ=2,8·10 См/м и температурой t=20°С. Наружный диаметр электродов d=60 мм. Электроды размещены на расстоянии Н=100 мм от поверхности жидкости. Межэлектродный зазор h=3 мм, общая ось электродов образует со свободной поверхностью жидкости угол φ=0°. Давление воздуха над поверхностью жидкости Р=0,1 МПа, скорость течения струи жидкости v=50 м/с, амплитуда предварительного импульса напряжения U=13 кВ, амплитуда основного импульса напряжения U=5 кВ, пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка в невозмущенной жидкости Е=14·10 кВ/м, пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка при истечении затопленной струи жидкости Е=45 кВ/м, длина разряда в затопленной струе жидкости L=0,1 м. Период разряда емкостного накопителя энергии предварительного импульса напряжения T=5·10 с, время между предварительным импульсом напряжения U и основным импульсом напряжения U τ=2·10 с. Для полного обеззараживания воды посредством разрядов в невозмущенной жидкости и электрических разрядов с развитой поверхностью излучения, сформированных в зоне вязкого перемешивания затопленной струи, в тесте по общепринятой методике Коха (кишечная палочка, 10 кл/м, высев суспензии на плотную питательную среду в чашки Петри) затрачивалась энергия W=0,15 МДж/м.
Источники использованной информации
1. В.В.Педдер и др. Способ стерилизации хирургических инструментов и устройство для его осуществления. Авторское свидетельство СССР № 1515449, кл. А61L 2/12, 1988.
2. Э.А.Азизов, А.И.Емельянов, В.А.Ягнов. Методы обеззараживания воды электрическими разрядами. Прикладная физика, 2003, № 2, С.26. http://www.vimi.ru/applphys/2003/2/f2-5.htm