способ очистки подземных вод от ионов бора и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки воды от ионов бора, включающий направленное движение очищаемой воды через емкость в постоянном электрическом поле, отличающийся тем, что осуществляют ламинарное движение очищаемой воды при градиенте потенциала в пределах от 2 до 5 В/см в емкости, имеющей пятиугольное поперечное сечение с параллельно расположенными инертными электродами, расположенной под углом от 30° до 45° вверх, в верхней части емкости производят непрерывное удаление пузырьков газа, на выходе из емкости воду разделяют на два потока, первый из которых, содержащий очищенную от ионов бора воду, направляют по горизонтально расположенной трубе к потребителю, а второй, содержащий увеличенное в процессе очистки количество ионов бора, направляется по наклоненной вниз под углом от 15° до 30° трубе меньшего диаметра в сток, причем соотношение площадей поперечного сечения между горизонтально расположенной трубой и трубой меньшего диаметра составляет от 1:10 до 1:3, а минимальная длина параллельно расположенных электродов L определяется по формуле:

L=(P×V_лам)/V _б

где V_лам - скорость ламинарного движения воды в емкости;

V_б - составляющая скорости движения ионов бора, направленная перпендикулярно от анода к катоду;

P - расстояние по перпендикуляру между электродами.

2. Устройство для очистки воды от ионов бора для осуществления способа по п.1, включающее корпус с расположенными в нем параллельно друг другу электродами, подключенными через проводники к источнику постоянного тока, отличающееся тем, что наклоненный вверх по направлению движения воды корпус, имеющий в поперечном сечении пятиугольную форму, содержит в нижней треугольной части неполяризующийся электрод, заряженный противоположно заряду ионов бора, и в верхней прямоугольной части неполяризующийся электрод, на выходе из корпуса расположены воздушный вантуз, труба большего диаметра для отвода очищенной воды с датчиком бора и электрофицированной задвижкой, труба меньшего диаметра для отвода загрязненной воды в сток, выходящая из треугольной части корпуса с электрофицированной задвижкой, на входе в корпус расположена подающая труба с электрофицированной задвижкой, датчиками бора и температуры, причем все электрофицированные задвижки, датчики бора и температуры и источник постоянного тока соединены проводниками с блоком управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области обработки подземных вод с повышенным содержанием бора и могут быть использованы в процессах водоподготовки для питьевых и технических целей.

Известны способы удаления из воды ионов бора, заключающиеся в образовании и последующем осаждении твердого осадка в виде малорастворимого соединения в процессе химической реакции при добавлении соответствующих реагентов [1]. Эти способы являются трудоемкими и сложными по следующим причинам:

- низкие скорости фильтрования при отделении от воды осадка;

- получаемые осадки, как правило, малоконцентрированы по бору, не обладают постоянством состава и нуждаются в дополнительной переработке;

- исключается повторное использование осадителей.

Известны также способы удаления из воды ионов бора, основанные на мембранных технологиях [2]. Основным недостатком этих способов является то, что в отношении бора имеется ограничение для исходной воды: бор 1,5 ПДК.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ отделения, концентрирования и извлечения соединения бора из водного раствора, содержащего бор [3]. Способ включает отделение сильно диссоциированных ионов путем электромиграции сначала в одном отсеке, заполненном только катионообменным материалом, затем отделение бора путем электрохимической/химической диссоциации, ионного обмена/адсорбции и электромиграции, осуществляемое во втором отсеке, заполненном смесями катионных и анионных материалов, с последующим извлечением отделенного бора, рециркуляцией катионита, анионита и разбавленного раствора. Основными недостатками данного способа являются:

- использование различных ионообменных материалов и мембран, требующих последующей периодической регенерации, рециркуляции или замены;

- сложность эксплуатации из-за большого количества оперативных действий;

- высокая стоимость сооружений и большие эксплуатационные затраты.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [3, фиг.1], включающее корпус с расположенными в нем параллельно друг другу электродами, подключенными через проводники к источнику постоянного тока. Корпус содержит пять отсеков, заполненных различными ионообменными материалами, и четыре мембраны. Основными недостатками данного устройства являются:

- наличие значительного количества емкостей, отделенных друг от друга мембранами, в которых производятся различные сложные процессы: электродиализ, ионный обмен, разбавление, рециркуляция, диссоциация и адсорбция;

- отсутствие системы непрерывного контроля содержания бора в исходной и очищенной воде;

- отсутствие системы гибкого автоматического управления работой устройства;

- низкая надежность.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности процесса очистки воды от бора, обеспечение гарантированного качества очищенной воды независимо от количества ионов бора в исходной воде, расширение возможностей применения способа за счет компактности оборудования, обеспечение гибкого автоматического управления, уменьшение строительных и эксплуатационных затрат.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе очистки подземных вод от ионов бора, включающем направленное ламинарное движение очищаемой воды, удаление бора осуществляется в постоянном электрическом поле при градиенте потенциала в пределах от 2 до 5 В/см со скоростью, регулируемой с учетом изменения температуры исходной воды и требований к содержанию бора в очищенной воде, вода протекает через емкость, располагаемую под углом от 30° до 45° вверх и имеющую пятиугольное поперечное сечение с параллельно расположенными инертными электродами, в верхней части емкости производится непрерывное удаление пузырьков газа, а затем движение воды разделяется на два потока, первый из которых, содержащий очищенную от ионов бора воду, направляется по горизонтально расположенной трубе к потребителю, а второй, содержащий увеличенное в процессе очистки количество ионов бора, направляется по наклоненной вниз под углом от 15° до 30° трубе меньшего диаметра в сток, причем соотношение площадей поперечного сечения между горизонтально расположенной трубой и трубой меньшего диаметра составляет от 1:10 до 1:3, а минимальная длина параллельно расположенных электродов L определяется по формуле:

L=(Р×V_лам )/V_б

где V_лам - скорость ламинарного движения воды в емкости; V_б - составляющая скорости движения ионов бора, направленная перпендикулярно от верхнего электрода к противоположно заряженному по отношению к удаляемым ионам бора нижнему электроду; Р - расстояние по перпендикуляру между электродами

Бор в природной воде может существовать в двух формах: катионной и анионной. В постоянном электрическом поле эти ионы обладают относительной подвижностью, величина которой может изменяться в зависимости от температуры воды [4]. Поэтому при ламинарном движении воды в постоянном электрическом поле происходит перенос катионов бора к катоду, а борат-анионов - к аноду. При этом ионы бора обладают низким электродным потенциалом. Например, у борат-анионов электродный потенциал равен 1.7929 В. Кроме того, в их состав входит кислород [5]. Поэтому борат-анионы и катионы бора сами не восстанавливаются и не окисляются на противоположно заряженных электродах, а только группируются около них.

Пример 1. При постоянной температуре исходной воды, проходящей через емкость, расположенную под углом 45° вверх и имеющую пятиугольное поперечное сечение с параллельно расположенными инертными электродами, осуществлялось ламинарное движение исходной воды с различными содержаниями ионов бора в постоянном электрическом поле и при разных градиентах потенциала. Для каждого конкретного случая длина параллельно расположенных электродов L определялась по приведенной выше формуле. На выходе из емкости контролировалось содержание ионов бора в очищенной воде. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1
Градиент потенциала, В/см	Содержание ионов бора в исходной воде на входе в емкость, г/м	Содержание ионов бора в очищенной воде на выходе из емкости, г/м
1	1	0.3
	3	0.27
	10	0.32
2	1	0.22
	3	0.22
	10	0.31
5	1	0.33
	3	0.38
	10	0.42
7	1	0.44
	3	0.49
	10	0.53
10	1	0.50
	3	0.62
	10	0.81

Как видно из таблицы 1, при градиентах потенциала от 1 до 5 В/см обеспечивается гарантированное качество очищенной от бора воды независимо от содержания бора в исходной воде. Ухудшение качества очищенной воды при градиентах потенциала более 5 В/см объясняется увеличением количества пузырьков газа, которые, поднимаясь по наклонной емкости вверх вместе с водой, препятствуют движению ионов бора к противоположно заряженному электроду. Следует отметить, что при градиенте потенциала 1 В/см продолжительность процесса увеличивается. Поэтому для обеспечения желаемого технического результата, в частности, компактности оборудования и уменьшения строительных затрат режим очистки при градиенте потенциала 1 В/см не рекомендуется.

Исследования были проведены при поперечных сечениях емкости пятиугольной, круглой и квадратной формы. Лучшие результаты были получены при использовании емкости, имеющей поперечную пятиугольную форму (фиг.1).

Пример 2. Исследование влияния температуры исходной воды на подвижность ионов бора в постоянном электрическом поле.

Предельная подвижность ионов бора в значительной степени зависит от температуры обрабатываемой воды [4, стр.411]. Так, например, при температуре 25°С предельная подвижность ионов бора равна 78.14 ом^-1 * см² *г-экв ^-1. Это при градиенте потенциала 1 В/см соответствует скорости иона бора в воде: 8.1×10-⁵ м·с^-1 . Предельные подвижности при разных характерных для подземных вод температурах приведены в таблице 2.

Таблица 2
Температура, °С	0	5	15	18	25
Предельная подвижность, ом -1 * см2 *г-экв	46.2	49.2	63.1	68.0	78.14

В результате исследований было установлено, что управление процессом очистки воды путем регулирования скорости движения исходной воды вдоль противоположно заряженного по отношению к ионам бора электрода на основании контроля ее температуры затруднено из-за плохого соответствия данным, приведенным в таблице 2, и реальным результатам: погрешность в отдельных случаях составляла 40% и более. Поэтому для гарантированного обеспечения требуемого качества воды на выходе из емкости начальную скорость движения воды вдоль противоположно заряженного по отношению к ионам бора электрода рекомендуется устанавливать на основе минимальной предельной подвижности 46.2 см²/г-экв. Это при градиенте потенциала 1 В/см соответствует скорости иона бора в воде: 4.77×10^-5 м·с ^-1.

Пример 3. Для определения примерных габаритов установки, предназначенной для очистки воды от ионов бора, выведена формула, с помощью которой можно определять длины параллельно расположенных электродов в наклоненном вверх корпусе, имеющем в поперечном сечении пятиугольную форму.

Для удаления ионов бора из очищаемой воды длина параллельно расположенных электродов в наклоненном вверх корпусе должна быть такой, чтобы за время движения очищаемой воды вдоль этого корпуса все ионы бора смогли подойти к противоположно заряженному по отношению к ионам бора электроду, расположенному в треугольной части корпуса, и сгруппироваться возле него. Длина параллельно расположенных электродов зависит от следующих параметров:

- скорости движения воды в корпусе, которая должна быть ламинарной V_лам;

- составляющей скорости движения ионов бора V_B, направленной перпендикулярно электродам;

- расстояния по перпендикуляру между электродами Р.

На фиг.2 приведена схема для определения длины параллельно расположенных электродов в корпусе. На движение ионов бора влияют две скорости: скорость движения воды в корпусе под наклоном вверх и составляющая скорости движения ионов бора, направленная перпендикулярно электродам и соответствующая минимальной температуре воды. Требуемая длина параллельно расположенных электродов определяется из подобия треугольников ABC и ADE:

отсюда:

Для обеспечения надежного удаления ионов бора полная длина каждого электрода принимается с запасом:

L=L_i·К,

где К - коэффициент запаса, рекомендуется: К=1,1.

Примеры выбора длины электродов в зависимости от принимаемых значений параметров V _лам, V_B и Р. Рассматриваются два случая: при использовании градиентов потенциала 2 В/см и 5 В/см.

В обоих случаях принимаются: V_лам=1×10^-3 м/с и Р=0.1 м.

При градиенте потенциала 2 В/см и минимальной предельной подвижности 46.2 см²/г-экв составляющая скорости движения ионов бора V_B, направленная перпендикулярно электродам, будет равна:

V _B=2×4.77×10^-5 м·с^-1 =9.57×10^-5 м·с^-1.

Таким образом, длина электродов при рекомендуемом коэффициенте запаса К=1,1 будет равна: L=1.1×0.1×1×10^-3 /9.57×10^-5=1.15 м.

При градиенте потенциала 5 В/см и минимальной предельной подвижности 46.2 см ²/г-экв составляющая скорости движения ионов бора V _B, направленная перпендикулярно электродам, будет равна:

V_B=5×4.77×10^-5 м·с ^-1=23.85×10^-5 м·с^-1.

Длина электродов будет равна: L=1.1×0.1×1×10 ^-3/23.85×10^-5=0.46 м.

Таким образом, реализация предлагаемого способа очистки воды от ионов бора возможна на компактных (малогабаритных) установках.

Пример 4. Для определения оптимальных соотношений скоростей движения воды и площадей поперечного сечения в трубах отвода очищенной воды и сброса загрязненной воды в сток был проведен цикл лабораторных испытаний, заключающихся в следующем.

Исследовалась эффективность удаления загрязненной ионами бора воды при различных соотношениях площадей поперечного сечения в трубах отвода очищенной воды и сброса загрязненной воды в сток. При этом площади поперечного сечения трубы сброса загрязненной воды в сток принимались равными 5%, 10%, 15%, 20% и 30% по отношению к площади поперечного сечения в трубе отвода очищенной воды. Данные исследования проводились при соблюдении оптимальных условий, которые приведены в примерах 1, 2 и 3. Результаты исследований приведены в таблице 3.

Таблица 3
Содержание бора в исходной воде, мг/л	Соотношения площадей труб, %
	5	10	15	20	30
	Остаточное содержание бора в очищенной воде, мг/л
6,7	0.88	0.25	0.25	0,28	0.26
9,15	1.43	0.29	0.32	0.30	0.28

Как видно из таблицы 3, при соотношениях площадей от 1:10 до 1:3 эффективность очистки примерно одинакова, а при соотношении 1:20 эффективность значительно хуже. Таким образом, наиболее целесообразным с экономической точки зрения является соотношение 1:10.

Пример 5. Для определения оптимального угла наклона вверх емкости, имеющей пятиугольное поперечное сечение, были рассмотрены 5 вариантов:

а) горизонтальное расположение;

б) угол наклона вверх 30°;

в) угол наклона вверх 45°;

г) угол наклона вверх 70°;

д) вертикальное расположение.

Исследования проводились для проб с разным содержанием ионов бора в исходной воде при оптимальных режимах очистки и разных углах наклона трубы сброса загрязненной воды по отношению к трубе отвода очищенной воды.

Полученные результаты приведены в таблице 4. В этом случае труба сброса располагалась по отношению к трубе отвода очищенной воды под углом 90°.

Таблица 4
Содержание бора в исходной воде, мг/л	Расположение корпуса
	а	б	в	г	д
	Остаточное содержание бора, мг/л
2,5	0.33	0.28	0.23	0.44	0.55
4,35	0.40	0.30	0.26	0.50	0.52
6,7	0.48	0.38	0.32	0.58	0.77
9,15	0.52	0.43	0.33	0.61	0.81

Как видно из таблицы 4, при данных условиях наибольший эффект удаления бора из воды был достигнут в варианте «в»: угол наклона вверх пятиугольного корпуса равен 45°. Наиболее близким к варианту «в» был вариант «б». Поэтому рекомендуется принимать углы наклона вверх пятиугольного корпуса в пределах от 30° до 45°.

Пример 6. Для выбранного варианта «в», при котором угол наклона вверх пятиугольного корпуса был равен 45°, определялся оптимальный угол наклона трубы сброса загрязненной воды по отношению к трубе отвода очищенной воды. Рассматривались 4 варианта: углы наклона 90°, 45°, 30° и 15°. Результаты приведены в таблице 5.

Таблица 5
Содержание бора в исходной воде, мг/л	Углы наклона, град.
	90°	45°	30°	15°
	Остаточное содержание бора, мг/л
2,5	0.37	0.25	0.23	0.23
4,35	0.45	0.3	0.22	0.25
6,7	0.52	0.35	0.25	0.28
9,15	0.64	0.42	0.29	0.29

Как видно из таблицы 5, наибольший эффект удаления бора из воды был достигнут при углах наклона трубы сброса загрязненной воды по отношению к трубе отвода очищенной воды, равных 30° и 15°.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве для очистки воды от ионов бора, которое содержит наклоненный вверх по направлению движения воды корпус, имеющий в поперечном сечении пятиугольную форму, с расположенными в нем параллельно друг другу неполяризующимися электродами, подключенными через проводники к источнику постоянного тока; на выходе из корпуса расположены воздушный вантуз, труба большего диаметра для отвода очищенной воды с датчиком бора и электрофицированной задвижкой, труба меньшего диаметра для отвода загрязненной воды в сток, выходящая из треугольной части корпуса с электрофицированной задвижкой, на входе в корпус расположена подающая труба с электрофицированной задвижкой, датчиками бора и температуры, причем все электрофицированные задвижки, датчики бора и температуры и источник постоянного тока соединены проводниками с блоком управления.

На фиг.3 приведена общая схема устройства.

Устройство содержит блок управления 1, источник постоянного тока 2, водозаборную скважину 3 с расположенным в ней погружным электронасосом 4 и подающей трубой 5, на верхней части которой расположены датчик бора 6, датчик температуры воды 7 и подводящий патрубок 8, на котором имеется задвижка 9 с электрическим приводом. Патрубок 8 соединен с наклоненным вверх под углом от 30° до 45° по направлению движения воды корпусом из диэлектрика 10, имеющим в поперечном сечении пятиугольную форму, на верхней плоской внутренней поверхности которого расположен инертный электрод 11, а в нижней треугольной части - инертный электрод 12, на выходе из корпуса в верхней его части располагается воздушный вантуз 13 для удаления из воды выделяющихся на электродах газов, а затем патрубок 14, на котором имеется задвижка 15 с электрическим приводом. С помощью патрубка 14 верхняя прямоугольная часть каждого корпуса соединена с расположенной горизонтально трубой большего диаметра 16 для отвода очищенной воды потребителю, на которой установлен датчик бора 17. Нижняя треугольная часть корпуса соединена через патрубок 18, оборудованный задвижкой 19, с электрическим приводом с трубой меньшего диаметра 20, предназначенной для отвода загрязненной воды в сток. Труба 20 расположена по отношению к трубе 16 под углом от 15° до 30° вниз. Все электрические приводы задвижек, датчики бора и температуры, источник постоянного тока и двигатель погружного электронасоса соединены проводниками с блоком управления 1.

Устройство для очистки воды от ионов бора работает следующим образом. В соответствии с технологическим регламентом эксплуатации устройства в блок автоматического управления 1 введены следующие уставки:

- суточный график обеспечения расходов очищенной воды, подаваемой потребителям;

- максимальная допустимая величина остаточного содержания ионов бора в очищенной воде;

- начальная скорость движения воды в корпусе 10 (определяется на основании предварительно проведенных исследований);

- алгоритмы управления всеми электрофицированными задвижками (составляются по результатам предпусковых испытаний);

- предельные (минимальная и максимальная) величины градиента потенциала определяются на основании предварительно проведенных исследований.

Перед началом работы закрыты все электрофицированные задвижки и отключен источник постоянного тока 2. После включения погружного электронасоса 4 по сигналу блока управления 1 включается источник постоянного тока 2, подающий разность потенциала на инертный электрод 11 и инертный электрод 12, а также последовательно осуществляется открытие задвижек 9, 19 и 15. Затем на основании показаний датчика бора 6 и датчика температуры воды 7 по сигналу блока управления 1 на источнике постоянного тока 2 устанавливается начальный (максимальный) градиент потенциала. В дальнейшем на основании показаний датчика бора 17 осуществляется регулирование в установленных пределах градиента потенциала. Если при таком регулировании датчик бора 17 показывает превышение установленной максимальной величины содержания бора в очищенной воде, осуществляется регулирование (уменьшение) открытия задвижки 15.

При завершении работы установки по сигналу блока управления 1 последовательно закрываются задвижки 15, 19 и 9, затем отключаются погружной электронасос 4 и источник постоянного тока 2.

В зависимости от производительности скважины возможно устройство двух и более параллельно расположенных корпусов 10.

Возможны три варианта реализации устройства для очистки воды от ионов бора.

Вариант 1. При необходимости удаления из исходной воды только борат-анионов в нижней треугольной части корпуса располагается инертный электрод 12 (анод), а в верхней прямоугольной части - инертный электрод 11 (катод) (фиг.1, фиг.3).

Вариант 2. При необходимости удаления из исходной воды только катионов бора в нижней треугольной части корпуса располагается инертный электрод 12 (катод), а в верхней прямоугольной части - инертный электрод 11 (анод) (фиг.1, фиг.3).

Вариант 3. При необходимости удаления из исходной воды всех ионов бора предусматривается последовательное расположение двух корпусов 10 (фиг.3), в первом из которых осуществляется, например, удаление борат-анионов (вариант 1), а во втором - удаление катионов бора (вариант 2).

При этом второй наклонный корпус подсоединяется к первому наклонному корпусу через патрубок 14 перед задвижкой 15.

По сравнению с прототипом новые способ и устройство обладают следующими преимуществами.

1. Высокая надежность процесса удаления ионов бора из воды за счет полной автоматизации и гибкого автоматического управления.

2. Обеспечивается гарантированное качество очищенной от бора воды независимо от количества ионов бора в исходной воде.

3. Расширяются возможности применения за счет компактности оборудования: появляется возможность устанавливать устройства на каждой водозаборной скважине, при этом отпадает необходимость строительства дорогостоящих водоочистных сооружений с насосными станциями и водоводами, подающими исходную воду на эти станции и отводящими очищенную воду для подключения к сети потребителей.

4. Значительно снижается строительная стоимость устройства за счет его малых габаритов и возможности расположения в существующих павильонах над скважинами.

5. Уменьшаются эксплуатационные затраты за счет полной автоматизации, отсутствия необходимости в использовании расходных материалов (реагенты, мембраны, растворимые электроды) и минимальных затрат электроэнергии на очистку (при градиенте потенциала до 5 В/см, сила тока находится в пределах от 0,01 до 0,1 А).

Изобретение можно использовать для питьевого и технического водоснабжения. Устройства могут быть заводского серийного изготовления.

ЛИТЕРАТУРА

1.Ковалев М.П., Назарова А.А., Лавров И.А. «Удаление бора из воды методом обратного осмоса» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mediana-filter.ru/bor_remove.html.

2. Ивлева Г.А. Барьерные функции технологий подготовки подземных вод для хозяйственно-питьевых целей / Г.А. Ивлева, Л.С.Алексеев // Водоснабжение и санитарная техника. - 2007. - № 9. Ч.2. - С.33-38.

3. Патент на изобретение РФ № 2319536. Отделение и извлечение бора. Опубл. 20.03.2008. Бюл. № 8.

4. «Курс физической химии» под общей редакцией чл.-корр. АН СССР проф. Я.И. Герасимова. Том II, издание второе, исправленное Издательство «Химия», 1973, Москва. - С.404, Таблица XVII, 2. «Предельные подвижности ионов в воде при 25°С»

5. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. Справочное издание. М.: Химия. 1989 г. - С.279.