RU2332355C2 - Установка очистки воды - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к автоматизированным установкам или станциям очистки природной воды и может быть использовано для приготовления питьевой и пищевой воды высокого качества в быту и на пищевых производствах. Установка очистки воды включает насос, фильтры, трубопроводы с запорными устройствами и оборотными клапанами для подачи воды на очистку и отвода очищенной воды, подачи и отвода промывочной жидкости и систему автоматического управления, соединенную с датчиками, на трубопроводах, емкостях, фильтрах и запорных устройствах. Установка содержит разделенный на секции корпус, холодильник с теплообменником для охлаждения воды до температуры кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды, предварительный фильтр, озонатор-компрессор, осушитель озоновоздушной смеси и емкость сбора тяжелых изотопных модификаций воды, причем первая секция снабжена рассеивателем для подачи озоновоздушной смеси, датчиком кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды, фильтром тонкой очистки и соединена с емкостью сбора тяжелых изотопных модификаций воды, а следующая секция снабжена фильтром из активированного угля, после которой расположена секция, содержащая фильтр из смеси ионообменных смол. Технический результат: очистка воды от изотопов тяжелой воды, солей, биологических и иных загрязнений при минимальном энергопотреблении. 1 ил.

Description

Изобретение относится к автоматизированным установкам или станциям очистки природной воды и может быть использовано для приготовления питьевой и пищевой воды высокого качества в быту и на пищевых производствах.

Известна установка очистки воды фильтрованием (1).

Установка очистки воды фильтрованием содержит группу напорных или безнапорных фильтров с зернистой загрузкой и трубной обвязкой с трубопроводами подачи воды на очистку, отвода очищенной воды, подачи промывочной воды с запорной арматурой с приводом, отвода промывочной воды и первого фильтрата, коллекторы подвода исходной воды на очистку, отвода очищенной воды, подвода и отвода промывочной воды и отвода первого фильтрата и систему автоматического управления. Трубопроводы подачи воды на очистку, отвода очищенной воды и первого фильтрата снабжены обратными клапанами, а коллекторы подвода исходной воды на очистку, отвода очищенной воды и первого фильтрата снабжены запорной арматурой с приводом. При этом узлы подвода очищаемой и отвода промывочной воды совмещены, а запорная арматура с приводом установлена на коллекторе подвода очищаемой воды, трубопроводах отвода очищенной воды и подвода промывочной воды, на коллекторах подвода и отвода промывочной воды и на коллекторах отвода очищенной воды и первого фильтрата.

Узел отвода промывочной воды содержит водосборное устройство, верхняя кромка которого расположена выше уровня очищаемой воды в фильтре в режиме фильтрации, а запорная арматура с приводом установлена на коллекторе подвода очищаемой воды, трубопроводах отвода очищенной воды и подвода промывочной воды, на коллекторах подвода промывочной воды, отвода очищенной воды и отвода первого фильтрата.

Известна станция водоподготовки (2).

Станция водоподготовки содержит поверхностный источник водоснабжения, повысительный насос, фильтр, гидромониторную систему промывки фильтра, струйный аппарат с окном из кварцевого стекла, ультрафиолетовый излучатель, отражательный рефлектор, винтообразную лопасть, вертикально-трубчатую систему, озонатор, концентратомер растворенного озона в воде, задающее устройство, сравнивающее устройство, следящий привод, вентиль, резервуар-накопитель промывной воды, промывной насос, кран с поплавковым приводом, электрифицированные задвижки, датчики положения электрифицированных задвижек, датчики давления, блок управления и напорный фильтр с разделительной удерживающей решеткой, скрещивающимися насадками и внешним патрубком с предохранительной сеткой. Разделительная удерживающая решетка перегораживает корпус напорного фильтра на две последовательно расположенные ступени, внешний патрубок с предохранительной сеткой обращен внутрь корпуса первой ступени напорного фильтра, напорный патрубок повысительного насоса соединен с входным патрубком фильтра, выходной патрубок фильтра соединен с парубками повысительного и промывного насосов. Входной патрубок струйного аппарата соединен с выходным патрубком фильтра, озонатор через вентиль соединен со всасывающим патрубком струйного аппарата, ультрафиолетовый излучатель размещен снаружи струйного аппарата, концентратомер растворенного озона в очищаемой воде размещен на выходе вертикально-трубчатой системы и соединен с блоком управления и вычитающим входом сравнивающего устройства, суммирующий вход которого соединен с задающим устройством. Выход сравнивающего устройства соединен с входом следящего привода, выход следящего привода соединен с запорно-регулирующим органом вентиля, а ультрафиолетовый излучатель, электрифицированные задвижки, датчики положения электрифицированных задвижек и датчики давления соединены с блоком управления. Станция водоподготовки содержит ультрафиолетовый излучатель и озонатор, которые одновременно и совместно уничтожают микроорганизмы. Озон является окислителем для растворенных металлов и ядом для микроорганизмов, более сильным, чем ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовый излучатель в случае высокого содержания металлов и химических веществ, растворенных в воде, образующих хлопья под воздействием озона, является малополезным элементом. Ультрафиолетовый излучатель повышает энергопотребление и вызывает необходимость в пескоструйной установке, кварцевом стекле, отражательном рефлекторе и винтообразной лопасти, усложняющих конструкцию станции.

Известен «Фильтр для очистки воды» (3).

Фильтр для очистки воды включает фильтровальный элемент предварительной очистки, выполненный из полипропиленового или лавсанового волокна, фильтровальный элемент сорбционной очистки и элемент доочистки, выполненные из активированного угля, элемент ионообменной очистки, выполненный из смеси ионообменных смол и установленный после элемента предварительной очистки, и элемент мембранной очистки, выполненный из трубчатого композита с размером отверстий 0,008-0,012 мкм.

Известен способ очистки воды и установка для его осуществления (4).

Сущность способа состоит в замораживании 50-70% очищаемой воды, удалении незамерзшей части с солями и загрязнением и ступенчатом размораживании льда с разделением на части: часть с низким содержанием тяжелой воды 75-90% от объема льда и удаляемая часть с высоким содержанием тяжелой воды для повторной заморозки и удаления 3-7% льда. Установка, реализующая способ, удаляет из очищаемой воды ее тяжелоизотопные модификации, но характеризуется высоким энергопотреблением, вызванным замораживанием очищаемой воды и размораживанием льда, низкой скоростью процесса очистки, вызванной неоднократной заморозкой воды на теплообменнике, сложностью конструкции установки, вызванной необходимостью поэтапного замораживания и размораживания, разделения очищенной воды на части с размещением теплообменника в емкости с очищаемой водой. В целом, в зависимости от целей, степени очистки и видов загрязнителей, для очистки воды используют установки фильтрации, вымораживания, озонирования и центрифуги.

Известно, что природная вода представляет собой неоднородное вещество, смесь вод, образованных различными изотопами водорода и кислорода. (5)

Помимо молекул легкой (протиевой) воды - Н₂ ¹⁶О, состоящих из двух атомов водорода (протия) и одного атома кислорода-16, в природной воде присутствуют еще и молекулы тяжелой воды - (HD)₂ ¹⁶O и существует еще 7 устойчивых (состоящих только из стабильных атомов) изотопных модификаций воды. Температура замерзания (HD)₂ ¹⁶О равна 3.815°С, а плотность на 10% выше Н₂ ¹⁶О. Суммарное количество тяжелых изотопов в природной воде составляет примерно 0,272%. Вода пресноводных источников обычно содержит около 330 мг/л тяжелой воды, а тяжелокислородной (На₂ ¹⁸O) - около 2 г/л. Это сопоставимо или даже превышает допустимое содержание солей в питьевой воде. Выявлено многостороннее отрицательное воздействие тяжелой воды на живые организмы, вызывающее необходимость удаления тяжелой воды из питьевой.

Общим и существенным недостатком устройств очистки воды (1, 2, 3) является то, что они не удаляют из очищаемой воды ее модификации из тяжелых изотопов Н и О.

Установка, реализирующая способ (4), удаляет модификации воды из тяжелых изотопов водорода и кислорода, но характеризуется высоким энергопотреблением, вызванным замораживанием очищаемой воды и размораживанием льда, низкой скоростью процесса очистки, вызванной неоднократной заморозкой воды на теплообменнике, сложностью конструкции установки.

Предлагаемая установка решает задачу очистки воды от изотопов тяжелой воды, солей, биологических и иных загрязнителей при минимальном энергопотреблении.

В заявляемой установке очистки воды технический результат - очистка воды от изотопов тяжелой воды и загрязнителей - достигается фильтрацией с предварительной заморозкой только изотопных модификаций воды, имеющих более высокую температуру замерзания по сравнению с протиевой водой. Образовавшиеся кристаллы тяжелой изотопной воды воспринимаются фильтрующими элементами как загрязнитель, задерживаются вместе с другими загрязнителями, накапливаются и удаляются после таяния в процессе промывки фильтра. В заявляемой установке проводится однократное замораживание менее 0.5% объема очищаемой воды.

Дополнительным положительным эффектом является то, что загрязнитель воды в смеси с кристаллами изотопной воды при фильтрации не образует однородный самоуплотняющийся слой. Масса, состоящая из загрязнителя воды и кристаллов изотопной воды, при промывке фильтра превращается во взвесь и удаляется насосом, не требуя никаких механических усилий. Взвесь загрязнителя и тяжелоизотопной воды отстаивается и фильтруется простейшим фильтром. В промышленных установках изотопная вода может быть собрана и реализована на предприятиях ядерной энергетики.

В заявляемой установке очистки воды технический результат - очистка воды от изотопов тяжелой воды и загрязнителей - достигается фильтрацией, и по этой причине прототипом предлагаемой установки является установка очистки воды фильтрованием, которая производит очистку воды от солей, биологических и иных загрязнителей путем ее пропускания через систему фильтрующих элементов и накопительных емкостей.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства очистки воды от прототипа и известных аналогичных устройств является заморозка только тяжелых изотопных модификаций воды, проводимая при объемном охлаждении очищаемой воды до температуры кристаллизации изотопов воды пузырьками озоновоздушной смеси, с последующей фильтрацией кристаллов льда в смеси с остальными загрязнителями очищаемой воды. Объемное охлаждение очищаемой воды пузырьками озоновоздушной смеси ускоряет кристаллизацию изотопов воды. Озон, растворяясь в очищаемой воде, обеззараживает и окисляет растворенные металлы с образованием хлопьев.

Заявляемая установка очистки воды позволяет повысить степень очистки и качество питьевой воды с обеззараживанием и удалением фильтрацией из очищаемой воды примесей, солей и воды, образованной тяжелыми изотопами водорода и кислорода.

Чертеж поясняет устройство, взаимодействие и работу основных частей возможной конструкции установки очистки воды.

На чертеже не изображены электрические, силовые и информационные линии связи. Установка очистки воды имеет блок управления 1, который выдает команды по информации датчиков температуры 2, давления 3, уровня 4, расхода 5, состояния клапанов 6, электропроводности 7 и кристаллизации 8, которые условно вынесены за конструкцию. Расположение и число датчиков зависят от назначения и производительности предлагаемой установки и могут варьироваться. Например, в бытовых устройствах очистки воды датчики расхода, давления и состояния клапанов могут отсутствовать, а процесс очистки контролироваться блоком управления холодильной установки. Установка очистки воды имеет насос с регулируемой производительностью 12, озонатор-компрессор воздуха 9, холодильный агрегат 14 с теплообменником 15, рассеиватель озоновоздушной смеси 17, осушитель озоновоздушной смеси 13, разделенный на секции корпус 18, рассеиватели 10, 16, 20, 25 и 27, предварительный фильтр 11, фильтр тонкой очистки 21, фильтр из активированного угля 26, фильтр из смеси ионообменных смол 29, промывочный насос 24, емкость для промывочной жидкости 23, емкость для тяжелой воды 19, емкость для загрязнений 22, емкость для очищенной воды 30 и трубопроводы с обратными клапанами и запорной арматурой 28.

Установка очищает воду фильтрацией загрязнителей, в составе которых находятся кристаллы льда тяжелых изотопных модификаций воды, следующим образом.

Насос 12 с регулируемой производительностью, качает воду из подземного источника. Вода через предварительный фильтр 11 и водосборник-рассеиватель 10 поступает в теплообменник 15 холодильника 14 и охлаждается до температуры +3.8°С. Охлажденная вода поступает в первую секцию фильтровального устройства 18 и продолжает охлаждаться теплообменником 15. Одновременно озонатор-компрессор 9 подает озоновоздушную смесь через теплообменник 15 в рассеиватель 17. Теплообменник 15 и охлажденная озоновоздушная смесь охлаждают очищаемую воду, с учетом ее солевого состава, до температуры кристаллизации тяжелой воды. Происходит кристаллизация изотопов тяжелой и тяжелокислородной воды и образование льда, обнаруживаемых посредством датчиков кристаллизации 8, образованных электродами на поверхности воды. Одновременно происходит обеззараживание воды растворенным озоном и образование хлопьев из растворенных металлов. Часть озоно-воздушной смеси через осушитель 13 возвращается в озонатор-компрессор 9. При достижении необходимой концентрации озона, определяемой посредством датчика электропроводности 7, и образовании кристаллов льда тяжелой воды, по информации датчиков, блок управления 1 устанавливает постоянный режим фильтрации при заданной производительности насоса 12. Вода начинает очищаться фильтром тонкой очистки 21, который задерживает кристаллы изотопов тяжелой и тяжелокислородной воды, хлопья окислов металлов и других загрязнителей с зернистой волокнистой или кристаллической структурой. Далее вода очищается фильтром из активированного угля 26 и умягчается фильтром из смеси ионообменных смол 29. Очищенная вода поступает в накопительную емкость 30. Посредством датчиков уровня и давления блок управления 1 определяет степень загрязненности фильтров и выдает команды на остановку режима очистки и переводит установку в режим или полной, или частичной промывки по секциям посредством выбранных клапанов 28. Они могут быть и пневматическими, и электрифицированными задвижками с датчиками положения. Режим промывки позволяет отделить тяжелую воду от загрязненной фильтровочным осадком и накопить тяжелую воду в емкости 19. Промывочные воды собираются в емкости 22, и в случае применения специальной промывочной жидкости из емкости 23, по командам блока управления 1, по сигналам датчиков уровня возвращаются в емкость 23 посредством промывочного насоса 24. Рассеиватели 9, 15, 19, 24, 26 обеспечивают промывку фильтров и секций фильтровального устройства 18.

Фильтровальное устройство 18 имеет секционированную герметичную конструкцию и так же, как трубопроводы, оснащено датчиками контроля состояния. Бытовое устройство очистки воды может иметь упрощенную конструкцию со сменными картриджами фильтрации и минимально необходимым числом датчиков. Заявляемая установка очистки воды позволяет повысить степень очистки и качество питьевой воды с обеззараживанием и удалением фильтрацией из очищаемой воды примесей, солей и воды, образованной тяжелыми изотопами водорода и кислорода.

Изобретение относится к станциям приготовления питьевой воды высокого качества и может быть использовано для водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий преимущественно из подземных источников водоснабжения.

Источники информации

1. Гладкий А.И. Изобретение «Установка очистки воды фильтрованием». RU 2264248 С2, 2005.11.20.

2. Лукьянов В.И., Ткаченко С.Н., Лукьянов Е.В. Изобретение «Станция водоподготовки». RU 2260567 C1, 2005.09.20.

3. Молчанов С.А., Сухарев А.А., Шурмель Л.Б. Изобретение «Фильтр для очистки воды». RU 2004118622 А, 2006.01.10.

4. Высоцкий Е.Н., Высоцкий Д.Е., Высоцкий И.Е. Изобретение «Способ очистки воды и установка для его осуществления». RU 2003104764 А, 2004.08.27.

5. Доклад А.А. Тимакова «Основные эффекты легкой воды» на 8-й Всероссийской научной конференции по теме «физико-химические процессы при селекции атомов и молекул» 6-10 ноября 2003 г., г.Зеленогорск.

Claims (1)

1. Установка очистки воды, включающая насос, фильтры, трубопроводы с запорными устройствами и оборотными клапанами для подачи воды на очистку и отвода очищенной воды, подачи и отвода промывочной жидкости и систему автоматического управления, соединенную с датчиками, на трубопроводах, емкостях, фильтрах и запорных устройствах, отличающаяся тем, что содержит разделенный на секции корпус, холодильник с теплообменником для охлаждения воды до температуры кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды, предварительный фильтр, озонатор-компрессор, осушитель озоновоздушной смеси и емкость сбора тяжелых изотопных модификаций воды, причем первая секция снабжена рассеивателем для подачи озоновоздушной смеси, датчиком кристаллизации тяжелых изотопных модификаций воды, фильтром тонкой очистки и соединена с емкостью сбора тяжелых изотопных модификаций воды, а следующая секция снабжена фильтром из активированного угля, после которой расположена секция, содержащая фильтр из смеси ионообменных смол.