устройство для электрохимической очистки питьевой воды

Формула изобретения

1. Устройство для электрохимической очистки питьевой воды, содержащее флотационную камеру, электролизер с пакетом растворимых электродов, установленный непосредственно под флотационной камерой, и фильтр, отличающееся тем, что дно флотационной камеры выполнено плоским с отверстием, которое совмещено с выходным отверстием электролизера, при этом фильтр, выполненный в форме вертикальной фильтровальной перегородки, расположен вдоль стенок флотационной камеры на расстоянии не менее 5 мм, образуя с ее стенками закрытую полость для сбора очищенной воды и ее вывода через отверстие, выполненное в стенке флотационной камеры, другое отверстие выполнено в крышке флотационной камеры для сброса образующихся газов и шлама.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что над выходным отверстием электролизера в дне флотационной камеры на уровне не выше 3 мм от плоскости дна установлена пластина, перекрывающая выходное отверстие по всему периметру не менее чем на 10 мм.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что нижний край вертикальной фильтровальной перегородки расположен на уровне не менее 1/3 высоты стенки флотационной камеры.

4. Устройство по пп.1, 2 и 3, отличающееся тем, что флотационная камера выполнена в форме вертикального цилиндра.

5. Устройство по пп.1, 2 и 3, отличающееся тем, что флотационная камера выполнена в форме прямой многогранной призмы.

6. Устройство по пп.1-5, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено фильтром заключительного тонкого фильтрования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очистки питьевой воды, конкретно к электрохимическим очистителям воды.

Областью применения настоящего изобретения может быть очистка воды в бытовых условиях, в общественных учреждениях (яслях, детских садах, офисах и пр.), а также в качестве группового средства очистки воды в полевом водоснабжении.

Известные устройства электрохимической очистки воды обладают наиболее широким спектром удаляемых из воды загрязнений. При этом в отличие от устройств, реализующих сорбционные, ионообменные или мембранные технологии, в устройствах электрохимической воды после обработки практически не меняется характерный для региона солевой состав воды, т.е. удаляются из воды, в основном, антропогенные примеси. Электрохимические технологии очистки воды благодаря простоте настройки и управления позволяют независимо от физико-химических и органолептических свойство обрабатываемой воды гарантированно получать высококачественную питьевую воду. В отличие от наиболее распространенных сорбционных технологий при электрохимической обработке воды не происходит накопления в устройстве удаляемых примесей, следовательно, качество обработанной воды остается неизменным в течение всего срока его эксплуатации.

Известны различные конструкции устройств электрохимической очистки воды, описанные в монографии М. Г. Грановского, И. С. Лаврова, О.В. Смирнова "Электрообработка жидкостей (Л., Химия, 1976).

Известны устройства для очистки жидкостей, в том числе воды, содержащие последовательно установленные электролизер, флотатор и фильтр (авт. свид. 1761676, 1761677, 1761678).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является "Устройство ля очистки жидкости" по авт. свид. СССР 1028603 (кл. С 02 F 1/24, 11.12.81). Это устройство содержит корпус с приемной и флотационной камерами, электролизер (электрокоагулятор) и коаксиально установленный во флотационной камере цилиндр с фильтрующим материалом.

По максимальному количеству сходных существенных признаков (флотационная камера, электролизер и фильтр) с предлагаемым устройством оно выбирается за прототип.

Устройство-прототип работает следующим образом. Обрабатываемая жидкость подается в электролизер, где насыщается гидроксидами металла электрода (анода) и пузырьками газов, образующихся в процессе электролиза жидкости на катодах и анодах электролизера, и поступает во флотационную камеру, в которой образуются хлопья гидроксидов и происходит прилипание к хлопьям пузырьков газов. Образовавшиеся дисперсии (хлопья и другие взвеси) перемещаются (флотируются) к поверхности, а жидкость через затопленные отверстия в цилиндре поступает в фильтр (фильтровальную камеру) и далее на выход.

Недостатком прототипа является недостаточная эффективность очистки, обусловленная особенностями гидродинамики:

- через затопленные отверстия в цилиндре, расположенные ниже пеносборника, большая часть флотируемых загрязнений (вследствие увеличения скорости потока при протекании в цилиндр) перетекает в цилиндр, где оседает на фильтровальной перегородке;

- площадь фильтра, соответствующего по размеру цилиндру, и малая высота слоя жидкости над фильтровальной перегородкой (особенно с учетом вышеописанного недостатка) позволяют считать, что в прототипе вспомогательные операции (промывка фильтра) будут занимать время, как минимум, равное основной операции (фильтрованию);

- промывка устройства-прототипа не может быть эффективной, т.к. напор воды, движущейся сверху вниз, даже при высоте рабочей части устройства 10 метров не превысит 1 атм, как следствие, промывка фильтровального материала и электролизера будет недостаточной.

Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности очистки (улучшение физико-химических и органолептических свойств воды), что достигается оптимизацией гидродинамических характеристик процессов электрохимической обработки.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем флотационную камеру, электролизер и фильтр, согласно изобретению дно флотационной камеры выполнено плоским с отверстием, которое совмещено с выходным отверстием электролизера, при этом фильтр, выполненный в форме вертикальной фильтровальной перегородки, расположен вдоль стенок флотационной камеры на расстоянии не менее 5 мм, образуя с ее стенками закрытую полость для сбора очищенной воды с ее выходом через отверстие, выполненное в стенке флотационной камеры. Другое отверстие выполнено в крышке флотационной камеры для сброса образующихся газов и шлама.

Для более полного достижения поставленной цели непосредственно над выходным отверстием электролизера, выше плоскости дна флотационной камеры не более чем на 3 мм установлена экранирующая пластина, перекрывающая выходное отверстие по периметру не менее чем на 10 мм.

Кроме того, предлагается нижний край вертикальной фильтровальной перегородки расположить на уровне не менее 1/3 высоты стенки флотационной камеры.

Кроме того, устройство дополнительно оснащено фильтром заключительного тонкого фильтрования.

Поскольку основным формообразующим узлом устройства является флотационная камера (как наибольший по объему узел), он же является и наиболее притягательным для дизайна. Исходя из такой позиции, форма флотационной камеры может быть цилиндрической или в виде прямой многогранной (три, четыре, пять и более граней) призмой.

Введение вышеуказанных существенных признаков обеспечивает при совмещении процессов электролитической и электрохимической коагуляций, электрофлотации и фильтрования в одном устройстве за счет гидродинамических особенностей процесса на каждом уровне протекания процесса обработки повышение эффективности очистки, выражающееся в улучшении физико-химических и органолептических свойств воды.

Известно, что электролитическая коагуляция возникает вследствие растворения анодов электродов, находящихся в электролизере, а электрохимическая коагуляция вследствие воздействия электрического поля на ионы металлов (если они присутствуют в воде), например ионы железа, цинка, никеля, ртути, хрома и пр. Образующиеся гидроксиды металлов, в том числе аноднорастворенных, перемещаются в электролизере в направлении потока к его выходному отверстию, совмещенному с отверстием в дне флотационной камеры. В ходе этого перемещения образовавшиеся гидроксиды (мицеллы) перемешиваются, особенно при выходе из совмещенного отверстия, вследствие резкого расширения сечения потока и турбулизации. Одновременно с перемешиванием происходит созревание коагулянтов (хлопьеобразование). Поток обрабатываемой воды при выходе во флотатор движется с рассчитанной низкой скоростью, что приводит к ламинаризации потока. На уровне не выше 1/3 высоты стенок флотатора обрабатываемая вода движется ламинарно, а хлопьеобразование уже закончено. Поскольку при ламинарном потоке пристеночная скорость движения воды приближается к нулю, возникают условия к появлению градиента, перпендикулярного потоку, а так как на этом уровне стенка представляет собой вертикальную фильтровальную перегородку, то вода просачивается сквозь указанную перегородку: осуществляется процесс фильтрования воды в замкнутую полость между стенкой флотатора и вертикальной фильтровальной перегородкой. Из замкнутой полости вода выходит через отверстие в верхней части стенки флотатора и далее используется потребителем. Хлопья коагулянта, продолжая под напором потока продвигаться вверх, собираются под крышкой флотатора над уровнем воды выше отверстия в верхней части стенки флотатора и постепенно вытесняются через отверстие в крышке флотатора в слив.

Известно, что "с помощью мельчайших газовых пузырьков флотируются практически все тонкие дисперсные вещества, гидроксиды тяжелых металлов, полимеры, жиры масла, нефтепродукты, латексы, продукты органического синтеза, ПВА и т.д. (Флотационные методы в технологии очистки воды и опыт их применения. Баку, АзНИИНТИ, 1990). Известно также, что все процессы электролиза сопровождаются образованием газов на электродах: водорода на катоде, атомарного кислорода на аноде.

В известных устройствах электрохимической коагуляции этот процесс нежелателен: на производство газов затрачивается некоторое количество энергии, наличие в приэлектродном пространстве газов (например, кислорода у анода) ускоряет пассивацию.

Совмещение электролизера и флотатора по вертикали позволило указанные газы использовать в качестве флотореагента.

Кроме того, учитывая ламинарность потока во флотаторе и однонаправленность движения потока воды и флотируемых взвесей возникает эффект концентрирования взвесей ближе к оси флотатора, что существенно облегчает и улучшает процесс фильтрования через вертикальную перегородку.

Введение экранирующей пластины, перекрывающей отверстие в дне флотационной камеры, увеличивает зону активного перемешивания, оптимизируя процесс перемешивания потока для более полного охвата коагуляцией всего обрабатываемого объема воды.

Расположение нижней границы вертикальной фильтровальной перегородки на уровне не ниже 1/3 высоты стенки флотационной камеры обеспечивает достаточный объем для созревания коагулянта, так что его хлопья не проникают через фильтровальную перегородку.

Выполнение устройства с флотационной камерой в форме цилиндра или многогранной прямой призмы определяется требованиями потребителя (место расположения в помещении, размеры площадей и пр.) и не влияет на качество очищаемой воды.

Описанные технологические приемы позволяют существенно улучшить физико-химические и органолептические свойства обрабатываемой воды.

Из уровня техники не выявлено технических решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого технического решения, поэтому можно считать, что предложенное устройство соответствует условию изобретательского уровня.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено схематически предлагаемое устройство в разрезе, на фиг.2 изображена внутренняя гидродинамика работающего устройства.

Предлагаемое устройство (фиг.1) также, как и прототип, содержит электролизер 1 с пакетом растворимых электродов, флотационную камеру 2 и фильтр 3, которые объединены в общий корпус. При этом электролизер 1 установлен непосредственно под флотационной камерой 2.

В отличие от прототипа дно флотационной камеры 2 выполнено плоским с отверстием, которое совмещено с выходным отверстием электролизера 1. Выполнение фильтра 3 в виде вертикальной фильтровальной перегородки с расположением вдоль стенок флотационной камеры 2 на некотором расстоянии образует между нею и стенками флотационной камеры 2 закрытую полость 4 для сбора очищенной воды. Исключение корпуса фильтра из флотационной камеры 2 улучшает гидродинамические параметры процесса фильтрования. Образовавшаяся закрытая полость 4 оснащена патрубком 5 для выхода очищенной воды через выходное отверстие в стенке флотационной камеры 2. Для вывода образующихся газов и шлама через другое отверстие в крышке 6 флотационной камеры 2 установлен патрубок 7.

Вертикальная фильтровальная перегородка 3 нижним краем может быть расположена на высоте не ниже 1/3 высоты стенки флотационной камеры 2.

Непосредственно над выходным отверстием 8 электролизера 1 в дне флотационной камеры 2 установлена экранирующая пластина 9, поверхность которой перекрывает отверстие 8.

Устройство оснащено дополнительным фильтром 10, соединенным трубопроводом с патрубком 5 выхода очищенной воды.

Для ввода обрабатываемой (исходной) воды в нижней части электролизера 1 предусмотрено отверстие с патрубком 11.

Известно, что образование коагулянта в электролизере сопровождается выделением на электродах газов (водорода - на катоде, кислорода и других газов - на аноде). Как правило, эти сопутствующие газы нежелательны. Известно также, что существует технология электрофлотации, при которой выделяемые газы используют для извлечения из воды взвешенных примесей. Предлагаемое изобретение позволяет осуществить процессы электролитической и электрохимической коагуляций и электрофлотацию в наиболее выгодном гидродинамическом режиме. Это достигается тем, то в предлагаемом устройстве электролизер 1 размещен в нижней части устройства с выходом образующихся газов и гидроксидов металлов (коагулянтов) непосредственно в нижнюю часть флотационной камеры 2 с активным их перемешиванием, поскольку поток выходит из узкого электролизера 1 в широкую в сечении емкость флотационной камеры 2 - "возникают обратные токи - завихрения" (А.Г. Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. М. : Химия, 1973). В химических аппаратах это явление приводит к бесполезной трате энергии. В предлагаемом устройстве именно в нужном месте устройства происходит перемешивание потока, необходимое для более полного охвата коагуляцией всей обрабатываемой воды.

Для усиления этого эффекта служит экранирующая пластина 9, которая увеличивает зону активного перемешивания.

Известно, что для созревания коагулянта (образования хлопьев) необходимо определенное время. В этот период процесс фильтрования чреват прохождением через фильтровальную перегородку молекул гидроксида с последующим хлопьеобразованием в объеме очищенной воды. Расположение нижней границы вертикальной фильтровальной перегородки 3 на уровне не ниже 1/3 высоты стенки флотатора 2 обеспечивает необходимый и достаточный интервал времени для созревания коагулянта. К этому уровню высоты флотатора прекращаются флуктуации градиентов скорости в потоке (турбулизация), и дальнейшее движение его строго ламинарно. Это означает, что реализуется принцип идеального вытеснения. Поскольку при ламинарном потоке пристеночные слои движутся с минимальной скоростью, в предлагаемом устройстве создаются условия, при которых обрабатываемая вода фильтруется с минимальным градиентом скорости, перпендикулярным основному потоку, а загрязнения уходят в верхнюю часть флотатора, увлекаемые флотореагентами, и не создают фильтрованию какого-либо препятствия (фиг.2).

Выполнение флотатора в сечении круглым, овальным или многоугольным не влияет на протекающие процессы обработки воды, что в конечном итоге не сказывается на физико-химических и органолептических свойствах основного продукта.

Устройство работает следующим образом. Исходная вода поступает в устройство через входной патрубок 11 в нижней части электролизера 1, в котором подвергается воздействию электрического поля электродов электролизера. При этом, поскольку электроды (аноды) растворимые (как правило, они изготовлены из сплавов алюминия), образуются гидроксиды металла анодов, например гидроксид алюминия. Вместе с образовавшимися газами мицеллы гидроксида алюминия потоком выносятся из электролизера 1 через отверстие 8 и благодаря резкому расширению сечения выходящего потока, а также влиянию экранирующей пластины 9 над выходом из электролизера 1 происходит активное перемешивание обрабатываемой воды. Далее поток направляется по вертикали вверх и ламинизируется. При движении между стенками флотатора 2 за время перемещения обрабатываемой воды до нижнего края фильтровальной вертикальной перегородки 3 происходит образование и созревание хлопьев коагулянта, к которым прилипают находящиеся в воде пузырьки газов, т.е. начинается процесс электрофлотации. Учитывая однонаправленность потока обрабатываемой воды и флотируемой фазы коагулянта, возникает градиент вертикальной скорости воды и флотируемых хлопьев коагулянта. Это способствует развитию ряда сорбционных процессов на хлопьях коагулянта, не нарушающих ламинарности основного потока.

Начиная с высоты 1/3 стенки флотатора, где расположена нижняя граница вертикальной фильтровальной перегородки 3, возникает градиент скорости, перпендикулярный направлению потока в сторону фильтровальной перегородки, т.е. происходит фильтрация воды в закрытую полость 4, ограниченную стенками флотатора 2 и вертикальной фильтровальной перегородкой 3. Из закрытой полости 4 профильтрованная вода выходит через патрубок 5 для использования потребителем или направляется в фильтр заключительного (тонкого) фильтрования 10. В качестве фильтра заключительного фильтрования (при необходимости) применяют стерилизующие фильтры на основе бактериальных (т.е. задерживающих биофазу) фильтровальных перегородок. Одновременно происходит процесс электрофлотации - миграция скоагулированных примесей под верхнюю крышку 6 флотатора 2. При этом под крышкой 6 образуется постоянно увеличивающийся объем шлама, который под действием напора обрабатываемой воды через патрубок 7 непрерывно выходит (выдавливается) из устройства в слив.

Изготовлен опытный образец заявляемого устройства производительностью 20 л/час. В изготовленном образце согласно изобретению электролизер 1 с набором параллельных растворимых электродов (аноды изготовлены из сплава алюминия) установлен под дно флотатора 2. Выход из электролизера 1 совмещен с отверстием 8 в дне флотатора 2. Непосредственно над отверстием 8 на расстоянии 2 мм от дна флотатора 2 закреплена пластина, поверхность которой перекрывает указанное отверстие на 15 мм по всему периметру отверстия (пластина 9). Корпус флотатора изготовлен квадратным в сечении из нержавеющей стали. Нижняя часть флотатора имеет утолщенные стенки до высоты 1/3 флотатора. На этом уровне от утолщенных стенок до крышки 6 на расстоянии 8 мм от стенок флотатора установлена вертикальная фильтровальная перегородка из полиэстера. Между нею и стенками флотатора образована замкнутая полость 4. В верхней части образца выход из полости 4 выполнен в виде патрубка 5, а в крышке 6 установлен патрубок 7, соединенный шлангом со сливом.

Проведенные испытания образца и лабораторные исследования показали, что при длительной эксплуатации устройства поверхность вертикальной фильтровальной перегородки остается чистой, а производительность устройства не меняется (не уменьшается). Отвод шлама из патрубка 7 устойчиво равномерный, что подтверждает улучшение гидродинамических характеристик процесса.

Лабораторные анализы также подтвердили улучшение физико-химических и органолептических свойств воды после такой обработки.

На ряд устройств подобной конструкции, но разной производительности, реализующих описанную технологию очистки воды, получен гигиенический сертификат качества воды.

Наиболее характерные показатели улучшения качества воды, полученные при испытаниях образца, приведены в таблице.

Улучшение физико-химических и органолептических свойств воды после обработки подтвердило концепцию существенного влияния оптимизации гидродинамических характеристик процесса на качество обрабатываемой воды.

Таким образом, предлагаемое устройство может быть применено для электрохимической очистки питьевой воды, существенно улучшая ее качество.