EA025714B1 - Способ очистки воды - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к средствам и способам очистки воды методом кристаллизации и может быть использовано в быту, пищевой промышленности и медицине. Техническим результатом заявляемого изобретения является создание такого способа очистки воды замораживанием, который обеспечивает повышение качества очищенной талой воды и ее полезных свойств, а также более длительное их сохранение в потребительской емкости. Способ очистки воды включает заполнение емкости водой для очистки; охлаждение и последующее ее замораживание в указанной емкости до формирования жидкого концентрата органических и неорганических примесей; слив указанного жидкого концентрата; плавление льда при положительной температуре до его размораживания с последующим сливом очищенной талой воды. Охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда нагревом осуществляют снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками охладительных и нагревательных элементов. После слива жидкого концентрата примесей слой льда дополнительно замораживают в течение времени, достаточного для полного промерзания массы льда, а плавление льда под действием положительной температуры и слив талой воды осуществляют одновременно, причем талую воду сливают непрерывно или периодически в термостатированную накопительную емкость для ее последующего хранения при положительной температуре, близкой к температуре плавления льда. Причем слой льда перед плавлением замораживают в течение 40-90 мин при температуре -(10-15)°С.

Description

Изобретение относится к способу очистки воды методом кристаллизации, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней органических и неорганических веществ и газов, и может быть использовано в быту, пищевой промышленности и медицине.

Известен способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием, заключающийся в ее замораживании, дроблении льда и его таянии, отличающийся тем, что замораживание воды проводят до 7090% от ее объема, таяние льда осуществляют путем теплоизоляции его боковых и нижней поверхностей до образования 30-55% от объема талого стока с последующим его удалением (патент РФ № 2077160, МПК С02Р 1/22, опубл. 10.04.1997).

Известны также способы получения высокочистой питьевой воды, обладающей биологически активными свойствами, в которых, помимо ряда стадий по очистке воды, имеется стадия замораживания воды (патент СССР № 1799367, МПК С02Р 9/00, 1991, патент РФ № 2010772, МПК С02Р 9/00, 1992, патент РФ № 2031085, МПК С02Р 9/00, 1992).

К недостаткам вышеприведенных способов можно отнести недостаточное качество очищенной талой воды и быструю потерю органолептических и биологически активных свойств очищенной талой воды (в течение не более 17-20 ч).

Известен способ очистки воды в емкости (патент РФ № 2274607, МПК С02Р 1/22, опубл. 20.04.2006), включающий отвод тепла с помощью размещенного в емкости теплообменника, размещенного в верхней части емкости примерно на 1/3-2/3 высоты столба жидкости от верхних ее слоев на равноудаленном расстоянии от центра и боковых поверхностей емкости, обеспечивающего разность температур в пределах 1-(-1)°С, обусловливающую процесс локально-объемной кристаллизации при непрерывном постепенном многоступенчатом намораживании кристаллов льда вокруг теплообменника. Для очистки воды проводят непрерывное постепенное многоступенчатое намораживание кристаллов льда вокруг теплообменника по массе не более 50-70% от общей массы исходной воды, слив из емкости незамерзшей воды с примесями, полное размораживание льда и повторное частичное намораживание до небольших объемов в пределах 3-7% от ее массы и слив талой воды для ее потребления с одновременной фильтрацией через фильтр тонкой очистки. Слив воды с примесями и слив талой воды после размораживания производят в разных по высоте емкости сечениях и по разным каналам, при этом слив воды с примесями производят через канал, выполненный в самом нижнем основании дна емкости, а слив талой воды производят через канал, расположенный на 0,5-2 см выше дна емкости.

Размораживание льда производят в два этапа, при этом на первом этапе размораживают до 90-95% льда от его общего объема, содержащего небольшой процент тяжелых изотопов водорода, а на втором этапе размораживают лед, оставшийся на теплообменнике от начальной кристаллизации и содержащий большой процент тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития. Причем размораживание льда производят путем постепенного повышения температуры до состояния парообразования и конвекционного перемещения нагретых до температуры не выше 40-80°С слоев пара. Размораживание льда производят путем нагревания экранированного кабеля, намотанного на боковую поверхность емкости.

Наиболее близким аналогом (прототипом) способа является способ очистки воды (патент РФ № 2393996, МПК С02Р 1/22, опубл. 10.07.2010), включающий первое охлаждение воды в термостатируемой рабочей емкости и последующее ее постепенное замораживание при температуре выше температуры кристаллизации жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями в течение времени, достаточного для полной кристаллизации чистой воды с примесями тяжелой воды и формирования жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями; слив указанного рассола; нагрев массы льда при постепенном повышении температуры до значений, превышающих температуру кристаллизации тяжелой воды и выдержке льда при указанной температуре до полного его размораживания; повторное охлаждение воды до температуры кристаллизации тяжелой воды и выдержке ее при указанной температуре до полной кристаллизации тяжелой воды и слив готового продукта в виде очищенной талой воды в потребительскую емкость при ее одновременной фильтрации через фильтр тонкой очистки. Нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками термоэлектрических элементов в автоматическом режиме, температуру среды внутри рабочей емкости при первом охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°С/мин, время цикла первой кристаллизации воды рассчитывают в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по повышению температуры среды у боковой стенки рабочей емкости не менее чем на 0,5°С, температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 4°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,050,1°С/мин, температуру среды внутри рабочей емкости при таянии льда до полного его расплавления после слива рассола повышают до величины не выше 10°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,16-0,18°С/мин, а температуру среды внутри рабочей емкости при повторном охлаждении воды и кристаллизации тяжелой воды снижают до величины не ниже 2°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,10,3°С/мин.

- 1 025714

К недостаткам выше приведенных способов можно отнести недостаточное качество очищенной талой воды и быструю потерю органолептических и биологически активных свойств очищенной талой воды (в течение не более 17-20 ч) вследствие локального повышения температуры талой воды от нагретых стенок емкости при плавлении льда и в процессе хранения талой воды при комнатной температуре.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание такого способа очистки воды замораживанием, который обеспечивает повышение качества очищенной талой воды и ее полезных свойств, а также более длительное их сохранение в потребительской емкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки воды, включающем заполнение емкости водой для очистки; охлаждение и последующее ее замораживание в указанной емкости при температуре выше температуры кристаллизации жидкого концентрата находящихся в воде органических и неорганических примесей в течение времени, достаточного для полной кристаллизации чистой воды в виде слоя льда и формирования жидкого концентрата органических и неорганических примесей; слив указанного жидкого концентрата; плавление льда при положительной температуре до его размораживания с последующим сливом очищенной талой воды, причем охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда нагревом осуществляют снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками охладительных и нагревательных элементов, согласно изобретению, после слива жидкого концентрата примесей слой льда дополнительно замораживают в течение времени, достаточного для полного промерзания массы льда, например в течение 40-90 мин при температуре -(1015)°С, а плавление льда под действием температуры 10-15°С и слив талой воды, стекающей по поверхности слоя льда, имеющего температуру 0°С, осуществляют одновременно, предотвращая температурный контакт талой воды с нагретой боковой стенкой емкости для очистки воды, причем талую воду сливают непрерывно или периодически в термостатированную накопительную емкость для ее последующего хранения при температуре, близкой к температуре плавления льда в диапазоне 0-2°С.

Замораживание очищенного льда обеспечивает уплотнение и упорядочение его структуры перед плавлением, что улучшает физико-химических свойства талой воды (ОВП и рН) и ее полезные свойства. Более длительное сохранение качества и биологически активных свойств чистой талой воды обеспечивается за счет того, что процесс плавления льда совмещен со сливом воды в термостатированную накопительную емкость. При этом на талую воду в процессе плавления льда практически не влияет повышенная температура стенок емкости для очистки воды, которая снижает биологическую активность талой воды и разрушает ее структуру.

На фигуре представлена схема аппарата с кольцевой емкостью для очистки воды замораживанием, нагревательные и охлаждающие элементы которой размещены вокруг наружной цилиндрической стенки.

Аппарат для очистки воды, реализующий заявляемый способ, включает (фигура) термостатированную емкость 1 для очистки воды, средство 2 для замораживания воды с испарительной трубкой 3, средство 4 для плавления льда с нагревательным элементом 5 и узел 6 для слива очищенной и загрязненной воды из емкости 1 и электронный блок 7 управления, соединенный со средствами 2 и 4 для замораживания воды и плавления льда и узлом 6 для слива чистой и загрязненной воды. Испарительная трубка 3 средства 2 для замораживания воды и нагревательный элемент 5 средства 4 для плавления льда расположены вокруг внешней боковой поверхности емкости 1, имеющей термопроводные стенки, и плотно контактируют с ней.

Электронный блок 7 управления замораживанием воды, плавлением льда и сливом воды соединен с электромагнитными клапанами 8 и 9 узла 6 для слива очищенной и загрязненной воды соответственно и переключателями 10 и 11 средств 2 и 4 соответственно для замораживания воды и плавления льда. Трубопровод с электромагнитным клапаном 8 соединен с термостатированной накопительной емкостью 12 для чистой талой воды.

Испарительная трубка 3 с фреоном средства 2 для замораживания воды соединена с компрессором 13 и конденсатором 14. Кроме того, электронный блок управления 7 снабжен датчиком 15 температуры, установленным снаружи днища емкости 1.

Описание способа очистки воды. Способ очистки воды осуществляют посредством, например, аппарата, изображенного на фигуре. В термоизолированную емкость 1 объемом, например, 2 л заливают 1,5 л водопроводной воды. Все процессы: нагрев, охлаждение, кристаллизация воды и таяние льда, осуществляют равномерно снаружи рабочей емкости 1 посредством контактирования с термопроводной стенкой емкости 1 охладительных 3 и нагревательных 5 элементов в автоматическом режиме посредством электронного блока 7 управления и алгоритма (программы) последовательности выполнения операций по очистке воды. При включении холодильного агрегата на режим охлаждения элементов 3 (испарительной трубки) происходит охлаждение воды через термопроводную стенку емкости 1. Температуру среды внутри рабочей емкости 1 при охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°С/мин. Далее осуществляют процесс кристаллизации воды. С помощью датчика температуры 15, прикрепленного к поверхности дна емкости 1, рассчитывается время цикла кристаллизации воды в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по спонтанному повышению температуры воды в емкости не менее чем на 0,5°С. Температуру воды внутри емкости 1 при кристалли- 2 025714 зации воды снижают до величины не ниже минус 4,0°С (температура выше температуры кристаллизации жидкого концентрата с органическими и неорганическими примесями) со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости 1, равной интервалу значений 0,05-0,1°С/мин. В течение времени (около 5 ч) достигается полная кристаллизация чистой воды в виде кольцевого слоя льда у стенки емкости 1, где расположены охладительные элементы 3, и формирование жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями в приосевой зоне емкости 1. В течение нескольких минут жидкий концентрат примесей объемом от 300 до 550 мл сливают в канализацию при включении электроклапана 9.

После этого слой льда дополнительно замораживают в течение 40-90 мин при температуре -(1015)°С, что достаточно для полного промерзания массы льда до указанной выше температуры. При этом структура льда становится более упорядоченной, снижается окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) в 1,1-1,5 раза и увеличивается рН до 9,0-9,7, а его плотность увеличивается. Далее промороженный в емкости 1 лед подвергают плавлению путем отключения охладительных элементов 3 и включения нагревательных элементов 5. Температуру стенки емкости 1 при таянии льда до полного его расплавления после слива концентрата примесей повышают до величины 10-15°С. Плавление массы льда осуществляют около 1,5 ч до полного его размораживания. Одновременно с началом плавлением льда проводят непрерывный или периодический (порционный через каждые 5-10 мин) слив талой воды в термостатируемую потребительскую емкость 12 путем автоматического включения электроклапана 8. При этом талая вода практически не контактирует с нагретой стенкой емкости 1, за счет чего обеспечивается сохранение температуры талой воды как в емкости 1, так и в термостатируемой потребительской емкости 16 около 0-2°С, что более длительное время сохраняет ее биологически активные свойства. Полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды около 7,5 ч. Содержание чистой талой воды составляет не менее 65-80 об.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 1,5-2 раза.

Аппарат для очистки воды работает следующим образом. Рабочую емкость 1 наполняют водой, предварительно отфильтрованной от механических примесей, и включают блок 7 управления. Автоматически блок 7 управления включает компрессор 13. Происходит постепенное охлаждение воды в ёмкости 1 через термопроводную стенку емкости 1 (фигура) с последующей её заморозкой. Процесс заморозки с образованием чистого льда длится около 5 ч и контролируется датчиком 15 температуры, данные с которого поступают на электронный блок 7 управления. После окончания формирования кольцевого слоя чистого льда блок 7 управления включает электромагнитный клапан 9 и незамёрзший жидкий концентрат с примесями, т.е. вода с высоким содержанием солей (рассол), сливается в канализацию. Затем чистый лед в емкости 1 промораживают в течение 40-90 мин при температуре -(10-15)°С, что достаточно для понижения температуры массы льда до указанной выше температуры. При этом структура льда становится более упорядоченной, снижается окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) в 1,1-1,5 раза и увеличивается рН до 9,0-9,7, а его плотность (р_л) увеличивается до 919,1 кг/м и блок 7 управления отключает холодильный агрегат.

Далее блок 7 управления включает средство 4 для плавления льда, термоэлемент 5 которого нагревается до температуры не выше 20°С, что соответствует природным условиям. При этом происходит плавление чистого льда. С началом плавления слоя льда блок 7 управления включает электромагнитный клапан 8 и талая вода в непрерывном режиме сливается в термостатированную накопительную емкость 12 в течение всего времени плавления льда. Электромагнитный клапан 8 может включаться периодически через каждые 5-10 мин и талая вода порционно поступает в емкость 12 в течение всего времени плавления льда.

При этом талая вода практически не контактирует с нагретой стенкой емкости 1, за счет чего обеспечивается сохранение температуры талой воды как в емкости 1, так и в термостатированной потребительской емкости 12 около 0-2°С, что более длительное время сохраняет ее биологически активные свойства. Полное таяние льда осуществляется за 1,5 ч. Полный цикл получения талой воды равен около 7,5 ч.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемый способ очистки воды обеспечивает повышение качества очищенной талой воды и более длительное сохранение ее биологически активных свойств (рН и ОВП) за счет предварительного уплотнения и упорядочения структуры льда перед плавлением и устранения локального нагрева талой воды у стенок емкости 1, а также поддержания температуры талой воды в емкости 12, близкой к температуре плавления чистого льда (около 0-2°С).

Claims (2)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ очистки воды, включающий заполнение емкости водой для очистки; охлаждение и последующее ее замораживание в указанной емкости при температуре выше температуры кристаллизации жидкого концентрата находящихся в воде органических и неорганических примесей в течение времени, достаточного для полной кристаллизации чистой воды в виде слоя льда и формирования жидкого концентрата органических и неорганических примесей; слив указанного жидкого концентрата; плавление льда до его полного размораживания под действием положительной температуры и слив очищенной талой воды, причем охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками охладительных и нагревательных элементов, отличающийся тем, что после слива жидкого концентрата примесей слой льда дополнительно замораживают в течение времени, достаточного для полного промерзания массы льда, а плавление льда под действием температуры 10-15°С и слив талой воды, стекающей по поверхности слоя льда, имеющего температуру 0°С, осуществляют одновременно, предотвращая температурный контакт талой воды с нагретой боковой стенкой емкости для очистки воды, причем талую воду сливают непрерывно или периодически в термостатированную накопительную емкость для ее последующего хранения при температуре, близкой к температуре плавления льда в диапазоне 0-2°С.
2. 2. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что слой льда перед плавлением замораживают в течение 40-90 мин при температуре -(10-15)°С.