RU108440U1

RU108440U1 - DEVICE FOR CLEANING WATER FROM MICROBIAL ORGANIC AND CHEMICAL POLLUTIONS

Info

Publication number: RU108440U1
Application number: RU2011111756/05U
Authority: RU
Inventors: Эдуард Михайлович Бархударов; Мераб Иванович Тактакишвили; Андрей Митрофанович Анпилов; Игорь Антонович КОССЫЙ
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Плазма-Про"
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2011-09-20

Abstract

Устройство для отчистки воды от микробиологических органических и химических загрязнений, характеризующееся тем, что содержит рабочую камеру, систему прокачки жидкости, систему подачи газа к устройству и многоэлектродное разрядное устройство с инжекцией газа в межэлектродное пространство, при этом рабочая камера выполнена в виде диалектрической цилиндрической трубы для прокачки жидкости, электроды разрядного устройства установлены на внутренней поверхности трубы по кольцу с одинаковым зазором между ними, причем поверхность электродов покрыта электроизоляционным материалом, между «рабочими» поверхностями электродов имеются отверстия для поступления газа в полость и в межтрубное пространство, а система подачи высоковольтного напряжения и газа к разряднику расположена вне рабочей камеры. A device for cleaning water from microbiological organic and chemical contaminants, characterized in that it contains a working chamber, a fluid pumping system, a gas supply system to the device and a multi-electrode discharge device with gas injection into the interelectrode space, while the working chamber is made in the form of a dialectrical cylindrical pipe for fluid pumping, electrodes of the discharge device are installed on the inner surface of the pipe in a ring with the same gap between them, and the surface of the electric rows coated electrically insulating material between the "working" electrode surfaces have openings for gas entry into the cavity and into the annulus, and the system high voltage supply and a gas discharge unit disposed outside the working chamber.

Description

Полезная модель относится к области экологии, в частности, к установкам по плазмохимическим методам обработки жидкости (воды, ее растворов и др.) с целью воздействия на ее микробиологическую и химическую составляющую (утилизация токсикантов).The utility model relates to the field of ecology, in particular, to plants using plasma-chemical methods for treating a liquid (water, its solutions, etc.) with the aim of influencing its microbiological and chemical component (utilization of toxicants).

Использования электрического разряда в воде для ее отчистки от микробных, органических и химических загрязнителей является перспективным направлением в области электрофизических экологических технологий (электронный пучок, озонирование, электрический разряд и др.). Отличительной особенностью этих методов является то, что они не требуют применения вредных и опасных хлор и фтор содержащих веществ. Обладая высокой эффективностью, электрический разряд в воде является наиболее простым и дешевым.The use of an electric discharge in water to clean it from microbial, organic and chemical pollutants is a promising area in the field of electrophysical environmental technologies (electron beam, ozonation, electric discharge, etc.). A distinctive feature of these methods is that they do not require the use of harmful and dangerous chlorine and fluorine-containing substances. With its high efficiency, the electric discharge in water is the simplest and cheapest.

Известно, что воздействие импульсного высоковольтного разряда на воду и ее растворы обусловлено следующими факторами.It is known that the effect of a pulsed high-voltage discharge on water and its solutions is due to the following factors.

1. Локальное воздействие: сосредоточено в области плазменных каналов лидеров и стримеров и обусловлено воздействием гидратированных электронов, ионов и активных радикалов (зона действия ≤10 мм).1. Local exposure: concentrated in the area of the plasma channels of leaders and streamers and is due to the action of hydrated electrons, ions and active radicals (range ≤10 mm).

2. Нелокальное воздействие: волновые процессы - механические (акустические, ударные волны) и электромагнитные (УФ излучение), которое оказывает, как прямое воздействие, так и фотолитическое - генерация активных радикалов ОН и др. (зона действия ≤30-40 мм).2. Nonlocal effect: wave processes - mechanical (acoustic, shock waves) and electromagnetic (UV radiation), which has both direct and photolytic effects - the generation of OH active radicals and others (coverage area ≤30-40 mm).

Отметим, что все указанные выше факторы осуществляют синергетическое воздействие на жидкость.Note that all of the above factors have a synergistic effect on the liquid.

Следует отметить, что вода, содержащая химические загрязнения, как правило, обладает повышенной электрической проводимостью, что затрудняет, формирование импульсного высоковольтного разряда со сравнительно малой энергией импульса (0,10 Дж). Одним из способов, позволяющих обойти эти трудности, является ввод пузырьков газа в межэлектродное пространство (Нагульный К.А., Рой Н.А. Электрический разряд в воде. М. Наука, 1971).It should be noted that water containing chemical contaminants, as a rule, has increased electrical conductivity, which makes it difficult to form a high-voltage pulse discharge with a relatively low pulse energy (0.10 J). One of the ways to circumvent these difficulties is to introduce gas bubbles into the interelectrode space (Nagulny K.A., Roy N.A. Electric discharge in water. M. Nauka, 1971).

Известно устройство, использующее многоэлектродный разрядник с прокачкой негорючего газа (воздух, азот, аргон и др). через межэлектродное пространство, с помощью которого реализуется высоковольтный импульсно периодический разряд в жидкости (воде и ее растворах) с целью воздействия на ее микробиологическую, органическую и химические составляющие (US 6558638 В2, 07.02.2002).A device is known that uses a multi-electrode spark gap with pumping non-combustible gas (air, nitrogen, argon, etc.). through the interelectrode space, with the help of which a high-voltage pulse periodic discharge is realized in a liquid (water and its solutions) in order to influence its microbiological, organic and chemical components (US 6558638 B2, 02/07/2002).

Помещенное в жидкость устройство, конструктивно представляет собой следующее: на внешней поверхности диэлектрической цилиндрической трубки, охватывая ее, располагаются "n" цилиндрических кольцевых электродов (нержавейка, медь, титан и др.) с одинаковым зазором между ними. Торцевая часть электродов является рабочей, внешняя цилиндрическая поверхность электродов покрыта изолятором. В стенках диэлектрической трубки в межэлектродном пространстве имеются несколько небольших ≤1 мм отверстий, через которые из полости трубки в жидкость поступают пузыри газа. Высоковольтное напряжение подается к двум крайним электродам: к одному непосредственно, а ко второму с помощью обратного токопровода, проходящему через полость трубки. Формирующийся в газовых пузырях разряд является источником мощного ультрафиолетового излучения и активных частиц (O₃, Н₂O₂. ОН, О и др.).A device placed in a liquid is structurally the following: on the outer surface of a dielectric cylindrical tube, covering it, there are "n" cylindrical ring electrodes (stainless steel, copper, titanium, etc.) with the same gap between them. The end part of the electrodes is working, the outer cylindrical surface of the electrodes is covered with an insulator. In the walls of the dielectric tube in the interelectrode space there are several small ≤1 mm holes through which gas bubbles enter the liquid from the tube cavity. The high voltage voltage is supplied to two extreme electrodes: directly to one and to the second using a reverse current path passing through the tube cavity. A discharge formed in gas bubbles is a source of powerful ultraviolet radiation and active particles (O ₃ , H ₂ O _2. OH, O, etc.).

Генерируемые в процессе разряда сильные акустические волны, а так же ударные волны (УВ), порождаемые в результате схлопывания пузырей являются дополнительным фактором воздействия на микробную, органическую и химическую составляющую жидкости.Strong acoustic waves generated during the discharge process, as well as shock waves (shock waves) generated as a result of the collapse of the bubbles, are an additional factor affecting the microbial, organic, and chemical components of the liquid.

Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:

1. линейная геометрия разрядного устройства исключает возможность фокусировки УФ излучения и акустических волн, генерируемых разрядом;1. the linear geometry of the discharge device eliminates the possibility of focusing UV radiation and acoustic waves generated by the discharge;

2. сложности и неудобства связанные с размещением в воде разрядника и коммуникационных систем для подачи высоковольтного напряжения и газа к разряднику; при эксплуатации разрядника в потоке разрядная система создает дополнительное сопротивление потоку жидкости;2. The difficulties and inconveniences associated with the placement of a spark gap and communication systems in the water to supply high voltage and gas to the spark gap; when operating a spark gap in a stream, the discharge system creates additional resistance to the flow of liquid;

3. при вертикальном расположении разрядного устройства в потоке жидкости из-за гидростатического давления происходит неравномерное поступление газа через отверстия расположенные вдоль разрядного устройства, что может влиять на стабильность и однородность разрядных каналов;3. with a vertical arrangement of the discharge device in the fluid flow due to hydrostatic pressure, an uneven flow of gas occurs through openings located along the discharge device, which can affect the stability and uniformity of the discharge channels;

4. достаточная сложность конструкции в целом.4. sufficient design complexity as a whole.

Задачей предлагаемой полезной модели является расширение арсенала технических средств очистки воды за счет фокусировки УФ излучения и акустических волн.The objective of the proposed utility model is to expand the arsenal of technical means of water purification by focusing UV radiation and acoustic waves.

Техническим результатом предложения является создание устройства простого в изготовлении, не включающего дорогостоящие механические и электронные устройства и позволяющего эффективно воздействовать на бактериальные, органические и химические загрязнения воды и ее растворов (том числе для утилизации токсикантов).The technical result of the proposal is to create a device that is easy to manufacture, does not include expensive mechanical and electronic devices and allows you to effectively act on bacterial, organic and chemical pollution of water and its solutions (including for the disposal of toxicants).

Технический результат достигается тем, что устройство для отчистки воды от микробиологических органических и химических загрязнений содержит рабочую камеру, систему прокачки жидкости, систему подачи газа к устройству и многоэлектродное разрядное устройство с инжекцией газа в межэлектродное пространство, при этом рабочая камера выполнена в виде цилиндрической трубы для прокачки жидкости, электроды разрядного устройства установлены на внутренней поверхности трубы по кольцу с одинаковым зазором между ними, а система подачи высоковольтного напряжения и газа к разряднику расположена вне рабочей камеры.The technical result is achieved by the fact that the device for cleaning water from microbiological organic and chemical contaminants contains a working chamber, a fluid pumping system, a gas supply system to the device and a multi-electrode discharge device with gas injection into the interelectrode space, while the working chamber is made in the form of a cylindrical pipe for liquid pumping, discharge device electrodes are installed on the inner surface of the pipe along the ring with the same gap between them, and the high-voltage supply system total voltage and gas to the spark gap is located outside the working chamber.

На фиг.1 и фиг.2 представлено сечение диэлектрической трубы для прокачки жидкости.Figure 1 and figure 2 presents a cross section of a dielectric pipe for pumping liquid.

На фиг.3 и фиг.4 - эквивалентные электрические схемы устройства.Figure 3 and figure 4 are equivalent electrical circuits of the device.

На фиг.5 - проекции участка кольцевого разрядника.Figure 5 is a projection of a portion of an annular spark gap.

На фиг.6 представлена схема устройства обработки воды.Figure 6 presents a diagram of a water treatment device.

Предлагаемая схематическая модель представлена на фиг.1, где показано сечение диэлектрической трубы 1, через которую прокачивается обрабатываемая вода и разрядная система, смонтированная на внутренней поверхности трубы. Электроды 2 в количестве "N", в данном случае, N=6, располагаются по кольцу на внутренней поверхности диэлектрической трубы 1 с одинаковым зазором между ними. Поверхность электродов, обращенная к центру трубы, покрыта электроизоляционным материалом 5, между "рабочими" поверхностями электродов 6 в диэлектрической трубке имеются отверстия 3 диаметром d≤1 мм, через которые газ поступает в полость 4 и затем в межэлектродное пространство.The proposed schematic model is presented in figure 1, which shows the cross section of the dielectric pipe 1, through which the treated water is pumped and the discharge system mounted on the inner surface of the pipe. The electrodes 2 in the amount of "N", in this case, N = 6, are arranged in a ring on the inner surface of the dielectric pipe 1 with the same gap between them. The surface of the electrodes facing the center of the pipe is covered with an insulating material 5, between the "working" surfaces of the electrodes 6 in the dielectric tube there are holes 3 with a diameter d≤1 mm, through which the gas enters the cavity 4 and then into the interelectrode space.

Высоковольтное напряжение подается к двум противоположно расположенным по диаметру электродам. В результате этого в межэлектродных промежутках реализуется электрический пробой и формируются плазменные каналы, которые являются источниками активных частиц (гидратированные электроны, Н₂O₂, ОН, О и др.), мощного УФ излучения и гидродинамических возмущений (акустические и ударные волны).High voltage is applied to two electrodes oppositely spaced in diameter. As a result of this, electric breakdown is realized in the interelectrode gaps and plasma channels are formed, which are sources of active particles (hydrated electrons, Н ₂ O ₂ , ОН, О, etc.), powerful UV radiation, and hydrodynamic disturbances (acoustic and shock waves).

Эквивалентная электрическая схема приведена на фиг.3.An equivalent electrical circuit is shown in figure 3.

Вода является проводящим диэлектриком. Эквивалентные сопротивления, указанные на фиг.3 (R₁-R₆) - это сопротивления воды между соответствующими электродами и землей. При указанной схеме подключения высоковольтного (ВВ) напряжения разрядные ток протекает параллельно по двум симметричным участкам цепи (разрядные промежутки 3-1 и 4-6).Water is a conductive dielectric. Equivalent resistance indicated in figure 3 (R ₁ -R ₆ ) is the resistance of water between the respective electrodes and the ground. With the indicated circuit for connecting high-voltage (BB) voltage, the discharge current flows in parallel along two symmetrical sections of the circuit (discharge gaps 3-1 and 4-6).

Расположение разрядных каналов симметрично по кольцу обеспечивает фокусировку УФ излучения и гидродинамических возмущений, что приводит к повышению эффективности воздействия разряда на воды. Эффективному формированию разряда способствует наличие в межэлектродных промежутках границы двух сред (вода-газ). Высокое значение диэлектрической проницаемости воды ε=81 приводит к усилению электрического поля в газе на границе жидкость-газ, что существенно снижает порог пробоя. Усиление электрического поля, отмеченная выше и наличие эквивалентных сопротивлений обеспечивают развитие скользящего кольцевого разряда вдоль внутренней поверхности трубы, по которой прокачивается вода.The arrangement of the discharge channels symmetrically along the ring provides focusing of UV radiation and hydrodynamic disturbances, which leads to an increase in the efficiency of the effect of the discharge on water. The effective formation of a discharge is facilitated by the presence of two media (water-gas) in the interelectrode gaps. The high value of the dielectric constant of water ε = 81 leads to an increase in the electric field in the gas at the liquid-gas interface, which significantly reduces the breakdown threshold. The amplification of the electric field noted above and the presence of equivalent resistances provide the development of a sliding ring discharge along the inner surface of the pipe through which water is pumped.

На фиг.2 приведена другая схема подключения ВВ напряжения, которая обеспечивает протекание тока последовательно через все разрядные промежутки. Соответствующая эквивалентная схема приведена на фиг.4.Figure 2 shows another diagram of the connection of the explosive voltage, which ensures the flow of current in series through all the discharge gaps. The corresponding equivalent circuit is shown in figure 4.

На фиг.5 представлены две проекции участка кольцевого разрядника. Нижняя фигура представляет собой развертку участка внутренней поверхности трубы 1, где изображены электроды 2, отверстия 3 для ввода газа, полость 4 для накопления газа, слой диэлектрического материала 5 и "рабочие" поверхности электрода 6.Figure 5 presents two projections of a section of an annular spark gap. The lower figure is a scan of the portion of the inner surface of the pipe 1, where the electrodes 2, the gas inlet 3, the gas storage cavity 4, the dielectric material layer 5 and the "working" surfaces of the electrode 6 are shown.

Таким образом, разрядная система смонтированная на внутренней поверхности трубы не препятствует потоку жидкости, коммуникации обеспечивающие снабжением газа и подводящие высоковольтные напряжения к разряднику целиком располагаются на внешней поверхности трубы.Thus, the discharge system mounted on the inner surface of the pipe does not impede the flow of liquid, communications providing gas supply and supplying high voltage to the arrester are entirely located on the outer surface of the pipe.

Для питания разряда использовался импульно-периодический генератор ВВ импульсов со следующими параметрами: напряжение UК≤20 кВ, частота следования импульсов f<100 Гц, энергия накопительного конденсатора W≤2 Дж, (С=10^-8Ф). Это обеспечивало ток I≤300 А, при длительности импульса тока τ=3-5 мкс и средней мощности N≤200 B.To power the discharge, a pulse-periodic generator of explosive pulses was used with the following parameters: voltage UK ≤ 20 kV, pulse repetition rate f <100 Hz, energy of the storage capacitor W ≤ 2 J, (C = 10 ^-8 F). This provided a current of I≤300 A, with a current pulse duration of τ = 3-5 μs and an average power of N≤200 B.

На фиг.6 представлена схема установки по обработке воды, в которой используется 5 кольцевых разрядника, которые расположены вдоль трубы, через которую прокачивается обрабатываемая вода или ее растворы. Установка содержит диэлектрическую трубу 1, прокладку 7, патрубок 8, заглушку 9, резиновую герметизирующую накладку 10, иглу 11 для подачи воздуха, систему 12, окно 13, пробку 14, хомут 15.Figure 6 presents a diagram of a water treatment plant in which 5 ring arresters are used, which are located along the pipe through which the treated water or its solutions is pumped. The installation comprises a dielectric pipe 1, a gasket 7, a pipe 8, a plug 9, a rubber sealing pad 10, an air supply needle 11, a system 12, a window 13, a plug 14, a clamp 15.

Каждый кольцевой источник подключен к отдельному выходному каналу 5ти канального генератора ВВ импульсов параметры каждого канала равны описанному выше. Это обеспечивает среднюю мощность установки N=10³B.Each ring source is connected to a separate output channel of a 5-channel BB pulse generator, the parameters of each channel are equal to those described above. This provides an average installation power of N = 10 ³ B.

Порядок работы следующий/Через иглу 11 подается газ, через патрубки 8 реализуется прокачка жидкости, после этого к разрядникам подается ВВ напряжение. Скорости подачи газа и прокачки жидкости - регулируются. Газы, прошедшие через обрабатываемую жидкость подаются в барбатер.The operation procedure is as follows / Gas is supplied through the needle 11, liquid is pumped through the nozzles 8, after which an explosive voltage is applied to the arresters. The gas and fluid flow rates are adjustable. Gases passed through the processed liquid are supplied to the bubbler.

Промышленное применение предлагаемого устройства состоит в очистке воды от микробиологических, органических и химических загрязнений воды (природные водоемы, в том числе и для индивидуального пользования различные промышленные предприятия и др.).Industrial application of the proposed device is to purify water from microbiological, organic and chemical pollution of water (natural reservoirs, including various industrial enterprises for individual use, etc.).

Claims

A device for cleaning water from microbiological organic and chemical contaminants, characterized in that it contains a working chamber, a fluid pumping system, a gas supply system to the device and a multi-electrode discharge device with gas injection into the interelectrode space, while the working chamber is made in the form of a dialectrical cylindrical pipe for fluid pumping, electrodes of the discharge device are installed on the inner surface of the pipe in a ring with the same gap between them, and the surface of the electric rows coated electrically insulating material between the "working" electrode surfaces have openings for gas entry into the cavity and into the annulus, and the system high voltage supply and a gas discharge unit disposed outside the working chamber.