способ электрохимической очистки питьевой воды

Формула изобретения

СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ, включающий ее обработку с использованием пакета параллельных растворимых электродов с последующим фильтрованием, отличающийся тем, что обработку ведут в непроточном режиме, после отключения электродов воду перемешивают токопроводящим предметом, который заземляют, а фильтрование осуществляют после образования хлопьев коагулянта размером 1,5-2,5 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрохимической технологии очистки воды и может быть использовано в бытовых условиях для улучшения потребительских свойств питьевой воды, преимущественно водопроводной.

В настоящее время для очистки водопроводной воды широко используются способы, основанные на фильтрации воды. Известны способы очистки водопроводной воды путем пропускания ее через последовательные системы фильтров: первичного (для удаления крупных частиц), угольного фильтра, ионообменной смолы и мембранного ультрафильтра (Заявка Великобритании N 2197860, кл. С 02 F 9/00, 1988), а также пропускание водопроводной воды в системе домашнего водоснабжения через ионообменную смолу и смесь доломита и угля (Заявка Великобритании N 2198432, кл. С 02 F 1/42, 1988).

Недостатком известных способов, основанных на последовательной фильтрации воды, является ухудшение ее биологических свойств из-за деминерализации при прохождении через ионообменную смолу, а также необходимость в периодической замене фильтров, в частности для регенерации ионообменной смолы, что усложняет использование известных способов в бытовых условиях и делает их более дорогостоящими.

Известен способ очистки питьевой воды путем пропускания ее через фильтр и электролитическую обеззараживающую ячейку, с помощью которой хлориды, содержащиеся в воде, частично реагируют с образованием гипохлорита (Выложенная заявка ФРГ N 3714200, кл. С 02 F 1/46, 1988).

Недостатком этого способа является его узкая специфика при электрохимической обработке (только обеззараживание воды), не улучшая при этом другие потребительские свойства воды (дезодорирование, обесцвечивание, осветление).

Известен способ электроочистки небольших количеств жидкостей от примесей путем пропускания ее через скоагулированные и поляризованные цепочечные агрегаты, образованные из твердых частиц, с такой скоростью, при которой силы потока жидкости меньше или равны электрическим силам, удерживающим агрегаты на электродах (Авторское свидетельство СССР N 333132, кл. С 02 B 1/82, 1972).

Недостатком известного способа электроочистки жидкости является сложность его реализации, заключающаяся в необходимости точного соблюдения скорости потока жидкости, адекватной напряжению на электродах и расстоянию между ними, что затрудняет его использование в бытовых условиях для очистки питьевой воды.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ электрохимической очистки воды путем обработки ее пакетом растворимых алюминиевых электродов с периодическим изменением полярности одновременно в проточном и непроточном режимах. Для этого межэлектродные пространства через одно перекрывают для создания непроточного режима очистки жидкости. При смене полярности электродов перекрывают ранее открытые межэлектродные пространства. Таким образом, в каждой паре соседних межэлектродных пространств электроочистку воды проводят одновременно в проточном и непроточном режимах (Авторское свидетельство СССР N 1165639, кл. С 02 F 1/46, 1985).

Известный способ электрохимической очистки воды, несмотря на ряд преимуществ (снижение энергозатрат на очистку и повышение степени очистки за счет создания непроточного режима), имеет следующие недостатки. Во-первых, с помощью известного способа невозможно добиться максимальной степени очистки воды и улучшения ее потребительских свойств, так как наличие проточного режима способствует снижению этих характеристик. Объясняется это тем, что в проточных режимах очистки воды имеет место постоянный подвод к аноду и осаждение на нем солей жесткости, которые препятствуют растворению анода и тем самым уменьшают степень очистки воды в открытых межэлектродных пространствах, что снижает степень очистки воды в целом и не позволяет максимально улучшить потребительские свойства воды. Во-вторых, известный способ достаточно сложен в практической реализации при создании одновременно проточного и непроточного режимов в каждой паре соседних межэлектродных пространств, а также при обеспечении изменения режимов (проточного на непроточный) при переключении полярности электродов. Таким образом, использование известного способа электроочистки воды в бытовых условиях представляет большую сложность и не позволяет получить требуемый результат по улучшению потребительских свойств питьевой воды и степени ее очистки.

Заявляемое изобретение направлено на решение следующей задачи: создать простой, удобный для применения в бытовых условиях способ дополнительной очистки питьевой, преимущественно водопроводной, воды, позволяющий максимально улучшить ее потребительские свойства и уменьшить количество содержащихся в ней вредных примесей. Актуальность поставленной задачи объясняется тем, что в настоящее время в связи с резким ухудшением экологической обстановки вода любого водопровода не соответствует установленным критериям и от решения поставленной задачи зависит здоровье и жизнь населения городов.

При решении поставленной задачи достигается значительное улучшение потребительских свойств водопроводной воды и такого важного показателя, не вошедшего в ГОСТ 2874-82 "Питьевая вода", как окисляемость. Данный показатель является интегральным по отношению к органическим примесям, находящимся в воде, и, определяя окисляемость, выясняют степень ее загрязненности. Гигиеническим нормативом, определяющим, сколько необходимо кислорода для окисления содержащихся в воде примесей, для чистых вод принята величина перманганатной окисляемости, равная 6 мг О₂/л.

Технический результат заявляемого способа электрохимической очистки питьевой воды (улучшение потребительских свойств воды и упрощение способа) достигается тем, что обработку воды, преимущественно водопроводной, проводят в непроточном режиме пакетом параллельных растворимых электродов при энергозатратах 1000-1200 Дж/л воды, после отключения электродов воду перемешивают токопроводящим предметом, а фильтрование осуществляют после образования крупных хлопьев коагулянта.

Отличительными от прототипа признаками являются обработка питьевой воды в непроточном режиме при энергозатратах 1000-1200 Дж/л воды, перемешивание сразу после отключения электродов токопроводящим предметом и фильтрование воды после образования крупных хлопьев коагулянта. Так как в процессе поиска источников информации и анализа известных решений заявителем не был обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, то заявляемый способ электрохимической очистки питьевой воды соответствует требованию новизны.

Метод электрохимической очистки воды путем ее обработки пакетом параллельных растворимых электродов (метод электрокоагуляции) широко применяется для очистки сточных, промышленных, природных вод, в том числе и питьевой воды (например, авторское свидетельство СССР N 1293113, кл. С 02 F 1/46, 1987). При этом достигаются различные технические результаты: увеличение степени очистки воды от примесей, взвешенных частиц, обеззараживание воды, улучшение ее химических свойств и др. Обработку воды проводят, преимущественно, в проточном режиме, недостатки которого рассматривались в разделе критика прототипа. Обработка воды в непроточном режиме (статических условиях) позволяет осуществить в одном объеме все виды электрокоагуляционных процессов: поляризационную, электрохимическую, гидродинамическую и концентрационную коагуляции.

В обычных (проточных) реакторах для осуществления поляризационной коагуляции необходимо создавать условия для небольшой скорости потока очищаемой воды, так как в противном случае цепочечные агрегаты неустойчивы. В заявляемом способе условия для поляризационной коагуляции оптимальны. Для осуществления электрохимической коагуляции в непроточном режиме создаются идеальные условия, так как вследствие газообразования между электродами имеется очень слабое течение, перемешивающее воду на первой стадии обработки. Электролитическая коагуляция протекает в зависимости от тока и в случае заявляемого способа также идет в идеальных условиях. Гидродинамическая коагуляция отнесена к заключительному этапу очистки воды и вследствие энергичного перемешивания воды токопроводящим предметом после отключения электродов протекает совместно с концентрационной коагуляцией на стадии созревания коагулянта, что способствует укрупнению агрегатов до 1,5-2,5 мм. Поскольку все процессы идут при так называемом перенапряжении, образующиеся приэлектродные газы не только создают течение жидкости в объеме, но и после отключения электродов и перемешивания токопроводящим предметом способствуют транспорту агрегатов к поверхности и их уплотнению. Таким образом, обработка воды в непроточном режиме обеспечивает создание условий, при которых достигается получение требуемого результата: улучшение потребительских свойств питьевой воды и повышение степени ее очистки.

Энергозатраты на очистку питьевой воды в диапазоне 1000-1200 Дж/л установлены экспериментально и для водопроводной воды оптимальное значение энергозатрат составляет 1100 Дж/л. Именно при этом значении было достигнуто максимальное улучшение потребительских свойств водопроводной воды и степень ее очистки. При энергозатратах менее 1000 Дж/л процесс проходит более замедленно, значительно снижается количество гидроксидов железа и алюминия и для достижения желаемого результата необходимо увеличивать время обработки воды. При увеличении энергозатрат более 1200 Дж/л возрастает выход по алюминию с нарушением величины предельно допустимой концентрации (0,25 мг/л), а также затрудняется процесс очистки воды из-за большого количества пузырьков газа, оседающих на электродах. В таблице приведены результаты исследований очищенной водопроводной воды, полученные при оптимальном значении энергозатрат 1100 Дж/л.

Перемешивание как прием широко используется во всех реакторах, где требуется увеличение числа соударений и ускорение какой-либо реакции. Отличием заявляемого способа является перемешивание токопроводящим предметом обработанного объема воды после отключения электродов. При этом кроме ускорения процесса (ожидаемый результат) происходит значительное и быстрое укрупнение частиц коагулянта, вероятно, за счет частичного снятия электрического заряда с мицелл и их активного слипания. Вследствие энергичного перемешивания токопроводящим предметом начинают активно протекать гидродинамическая и концентрационная коагуляции, что способствует укрупнению агрегатов до 1,5-2,5 мм. Поскольку все процессы в непроточном режиме идут при так называемом перенапряжении, образующиеся приэлектродные газы не только создают течение жидкости в объеме, но и по окончании процесса электрообработки (после отключения электродов и перемешивания) способствуют транспорту агрегатов к поверхности и их уплотнению. Следствием процесса флотации, протекающего в непроточном объеме, то есть в идеальных условиях, является быстрое осветление обрабатываемой воды. Однако для упрощения способа фильтрование можно начинать, не дожидаясь окончательного подъема шлама к поверхности обработанного объема, а проводить его на стадии образования крупных хлопьев коагулянта. Это снижает требования к фильтровальным материалам, в качестве которых могут быть использованы ткани из натуральных волокон с величиной ячейки не более 60 мкм (бязь, фланель) или металлокерамические пористые материалы. Как показали проведенные испытания, фильтрование воды на этой стадии (образования крупных хлопьев коагулянта) обеспечивает получение воды с высокими потребительскими свойствами и значительно уменьшившейся величиной окисляемости.

Таким образом, все сказанное позволяет сделать вывод о том, что вся совокупность существенных признаков обеспечивает получение необходимого технического результата, удовлетворяющего существующую общественную потребность очистки водопроводной воды. Известные попытки получения достигнутого результата не были столь успешными. По мнению заявителей, предлагаемый способ соответствует изобретательскому уровню, несмотря на кажущуюся простоту.

На чертеже дана схема устройства для реализации заявляемого способа очистки питьевой воды.

Устройство для очистки питьевой воды состоит из емкости 1 из диэлектрика (например, одно-, двух- или трехлитровая банка) и крышки 2 из изоляционного материала с закрепленным в ней пакетом растворимых электродов 3 и 4 в виде параллельных пластин. Электроды 3 выполнены из сплава алюминия (например, АМГ-2, АМГ-2М), а электроды 4 из сплава железа (углеродистая конструкционная сталь СТ-3). Электроды соединены попарно электрически ("железные" с "алюминиевыми"). Понижающий трансформатор 5, выпрямитель 6 и переключатель 7 образуют блок питания для поочередной подачи на электроды 3 и 4 однополярного напряжения. Соотношение активных площадей электродов "алюминиевых" к "железным" должно находиться в пределах 4:1-6:1. Размеры электродов определены исходя из того, что они предназначены для использования совместно с емкостями объемами 1-3 л, что весьма удобно в бытовых условиях. Время обработки 1 л воды определялось исходя из известных в литературе данных: безопасное напряжение 36 В, оптимальный ток на единицу активной поверхности электродов 0,004 А/см². Активная площадь алюминиевых электродов для указанных объемов воды (1-3 л) составляет 124 см² (6,2х10х2). Потребляемая мощность устройства Р=36х0,004х124=18 Вт (Дж/с). Время обработки 1 л воды при оптимальном значении энергозатрат 1100 Дж/л составляет

T 61 c.

П р и м е р. Водопроводную воду заливали в емкость 1 объемом 3 литра (стандартная трехлитровая стеклянная банка). После помещения в емкость с водой пакета электродов 3, 4 включали блок питания. Обработку 3 л воды проводили в течение 3-4 мин. После этого отключили блок питания и после удаления крышки с пакетом электродов активно перемешали воду в банке металлической ложкой (токопроводящим предметом). Процесс созревания крупных хлопьев коагулянта длится 10-15 мин с одновременной флотацией к горловине банки массы образовавшихся отходов. Всплывшую массу сливали из горловины банки, а остальную воду отфильтровывали в чистую емкость через воронку с вложенными в нее тремя фильтровальными элементами, например из бязи. По окончании операции фильтровальные элементы промывали от отходов под краном. Хранить их рекомендуется в растворе лимонной кислоты (1 ч ложка на литр воды). После 20-30 обработок электроды очищали от солевых отложений наждачной бумагой или предметом с острой кромкой. Результаты очистки водопроводной воды согласно заявляемому способу представлены в таблице.

Из таблицы видно, что потребительские свойства водопроводной воды улучшаются и становятся однотипными по всем параметрам, кроме того в ней существенно снижается содержание тяжелых металлов, фенолов и микроорганизмов. Заявляемый способ позволяет в бытовых условиях быстро, легко и качественно очищать небольшие объемы водопроводной воды при минимальной затрате электроэнергии.