WO2010087731A1 - Способ очистки воды и аппарат для его осуществления - Google Patents
Способ очистки воды и аппарат для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- WO2010087731A1 WO2010087731A1 PCT/RU2009/000028 RU2009000028W WO2010087731A1 WO 2010087731 A1 WO2010087731 A1 WO 2010087731A1 RU 2009000028 W RU2009000028 W RU 2009000028W WO 2010087731 A1 WO2010087731 A1 WO 2010087731A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- water
- temperature
- ice
- tank
- working
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/22—Treatment of water, waste water, or sewage by freezing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F9/00—Multistage treatment of water, waste water or sewage
- C02F9/20—Portable or detachable small-scale multistage treatment devices, e.g. point of use or laboratory water purification systems
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/001—Processes for the treatment of water whereby the filtration technique is of importance
Definitions
- the invention relates to methods and devices for treating water in a domestic environment, improving its biological properties by removing carcinogenic and mutagenic substances and gases soluble in it, and also significantly reducing the content of heavy hydrogen isotopes (deuterium and tritium) in it by phase separation of the source water from impurities, crystallization by freezing in a closed volume on clean water and water with impurities and can be used in everyday life, food industry and medicine. It is known that the reaction of biosystems when exposed to water (H 2 O) can vary depending on quantitative and qualitative changes in the isotopic composition of H 2 O.
- ice is produced by partial (2/3 of the volume) freezing of the source water [Denisov I., Matveev Cl Drink clean water // W. “Workress”, M. - 1991, Khch 11, p. 34-36. Due to the fact that the process of freezing water is stopped before its entire volume freezes, and the residue that does not go into ice is drained, the concentration of heavy metal ions and some isotopes is reduced in the water obtained by melting the “ice cup”.
- this method does not allow to reduce the content of heavy (tritium and deuterium) water molecules in melt water, which, to a greater extent, together with light (protium) water molecules pass into ice.
- the aforementioned method does not allow to efficiently structure the water and does not provide the conditions allowing in the process of its implementation to actively influence the properties of the resulting water.
- a device is used, which is a domestic or industrial refrigerator (freezer) containing a housing in which a device for freezing in the form of a chamber and a container for source water are placed [Polytechnical Dictionary edited by Acad. H. I. Artobolevsky, M., 1977, p. 546.].
- the disadvantages of the known method and device are that they do not provide for the separation of water into light and heavy with the removal of the latter and do not significantly improve its biological properties.
- the device includes a tank for placing water and technical means for its cooling (freezing) and heating (defrosting).
- the disadvantages of the above methods include a low degree of water purification, which is due to the lack of optimally selected modes (speed and time, values of temperature conditions, etc.) of freezing and thawing.
- the method includes pouring water into the container, first placing the container in the freezer, cooling the water until a deuterium layer of 1-3 mm thick is formed on its surfaces, removing the container from the refrigerator and removing the layer of deuterium ice, placing the container in the freezer again and holding for the formation of a clean layer of ice and untreated untreated, chemically contaminated water (residual brine), removing the container from the freezer and separating pure ice from residual brine, thawing clean ice.
- residual brine chemically contaminated water
- the initial water containing impurities in the form of dissolved salts, organic substances and pesticides, is separated into fresh pure ice and residual brine, which is concentrated in the central zone of the frozen primary volume of water.
- the known method of water purification has the following disadvantages: - the presence of two separate stages of freezing and two separate stages of separation of ice from water increases the complexity of its treatment; inconvenient removal of deuterium (heavy) water associated with removing the container from the freezer, pouring unfrozen water into a new (temporary) container, removing the formed layer of the first ice (1-3 mm thick) on the upper surface of the water, bottom and side walls of the main container , transfusion of water from a temporary tank into the main one, installing it in a freezer; sometimes used at an early stage to remove the layer of the first ice from only one upper surface, without transfusion of water into a temporary container, increases the amount of remaining deuterium water in the treated water.
- a known device for purifying drinking water by freezing it includes a container (reservoir) for water storage, a top cover with a recess for accommodating a layer of ice 5 for primary freezing, bottom with a recess for placement of water and a layer of ice of secondary freezing, heating elements and a lock providing pressure of a cover and a bottom to the tank, sealants between covers and the tank.
- a known water purifier for producing thawed drinking water which includes a zone of water freezing with an annular freezer located in series in a longitudinal vessel, an area for displacing impurities from the ice front and concentration of impurities in the form of a brine, and a zone for transferring water from solid to liquid with an annular heating element (RF patent JCH ° 23412817, IPC C02F 1/22, publ. 20.12.2007).
- the water purifier has separate nozzles for removing impurities in the form of brine and melt drinking water, located in the lower part of the vessel, and is additionally equipped with a drive unit for moving the frozen water rod mounted behind the freezer and an uncoupling device located in the center of the frozen water rod and made in the form of a pipe .
- the uncoupling device has an annular cutting part at the inlet, and an expanding profile at the outlet, forming an outlet pipe for removing impurities in the form of a brine.
- this device is difficult in design, has large dimensions of the freezer, weight, which makes it difficult to use in a domestic environment.
- a water purifier for producing melt drinking water on an industrial scale from sea water, which includes a water freezing zone with an annular freezer, a zone for displacing impurities from the ice front and a concentration of impurities in the form of brine and a zone of transition of solid state water to sequentially located in one longitudinal vessel.
- liquid with a ring heating element separate nozzles for removing impurities in the form of brine and melt drinking water, located in the lower part of the vessel (French Patent JCH22858607, IPC C02F 1/22, publ. 02/11/2005).
- this device also has large dimensions of the freezer, the total weight of the installation, designed for desalination of water on an industrial scale, which complicates its use in domestic conditions.
- the device does not provide the ability to remove heavy water (deuterium and tritium), which reduces the purity of the product and its beneficial properties.
- a known apparatus for water purification including a container with a lid and a conical bottom with a hole for draining water and a thermoelectric module for freezing water and melting ice, a container for receiving thawed purified water and a container for receiving water with impurities and a high deuterium content, a control unit for the thermoelectric module pipelines for draining water, connected at one end to the drain hole of the conical bottom of the tank for freezing water and melting ice, and the other ends of these pipelines are equipped with valves,
- a container for receiving purified melt water and a container for receiving water with impurities and a high deuterium content are installed (Japan Patent N ° 5123668, IPC C 02
- thermoelectric module has one cooling or heating element in the thermoelectric module, which is located on one side of the tank, which does not allow uniformly volume freezing of water in the form of an axisymmetric toroidal body or uniform thawing of ice, which reduces the quality of water purification from harmful impurities.
- the drainage system of purified (melt) water and contaminated with impurities in the tank does not allow you to quickly prepare the device for operation between cycles and does not ensure its operation in automatic mode, which reduces the usability of the device.
- the closest analogue of the method is a method of purifying water in a tank (RF Patent JV ° 2274607, IPC C02F 1/22, publ. 04/20/2006), including heat removal using a heat exchanger located in the tank, located in the upper part of the tank approximately 1/3 ⁇ 2/3 of the height of the liquid column from its upper layers at an equidistant distance from the center and the side surfaces of the vessel, providing a temperature difference of 1 ⁇ (-1) ° C, which causes the process of local-volume crystallization with continuous gradual multi-stage frosty uu ice crystals around the heat exchanger.
- a continuous gradual multi-stage freezing of ice crystals around the heat exchanger is carried out by mass no more than 50–70% of the total mass of the source water, draining from the tank of unfrozen water with impurities, completely defrosting the ice and re-partially freezing to small volumes within 3–7% from its mass and drain of melt water for its consumption with simultaneous filtration through a fine filter.
- the water with impurities is drained and the melt water is thawed after thawing in sections of different height and different channels, while the water with impurities is drained through a channel made at the lowest bottom of the tank bottom, and the melt water is drained through a channel located on 0.5 ⁇ 2 cm above the bottom of the tank.
- the ice is thawed in two stages; in the first stage, up to 90–95% of the ice from its total volume, containing a small percentage of heavy hydrogen isotopes, is thawed, and in the second stage, ice that remains on the heat exchanger from the initial crystallization and contains a large percentage of heavy isotopes hydrogen, deuterium and tritium. Moreover, the ice is thawed by gradually increasing the temperature to the state of vaporization and convection movement of the steam layers heated to a temperature of no higher than 40 ⁇ 80 ° C. Ice is thawed by heating a shielded cable wound around the side of the container.
- the closest analogue of the device is a water treatment plant (RF Patent N ° 2274607, IPC C02F 1/22, publ. 04/20/2006), containing a tank for untreated water, a heat exchanger installed in the tank to remove heat and freeze ice , means for heating and thawing ice, a freezing unit with a cooling system, a pipeline with a valve for draining water with impurities, a pipe with a valve for draining melt water, characterized in that the heat exchanger is made in the form of a multi-stage coil located in the upper part and the height of the vessel is approximately 1/3 ⁇ 2/3 of the height of the vessel at a distance of 2 ⁇ 5 cm relative to the upper base of the vessel and symmetrically relative to its lateral surface with a gap that allows volumetric freezing of ice in water around the coil to a size that does not overlap during ice crystallization this gap, the tank is equipped with a heat-insulating cover and seal, the pipeline for draining water with impurities is
- the main disadvantages of the prototypes of the method and device is the insufficient quality of water treatment due to the fact that the heat exchanger is placed inside the working tank, which does not allow to uniformly freeze water in the form of an axisymmetric toroidal body or uniformly thaw ice, which reduces the quality of water treatment from harmful impurities and deuterium.
- the specified installation has large dimensions and the weight of the freezing unit with its cooling system, and part of the usable volume in the tank for freezing water is occupied by a heat exchanger made in the form of a coil, which also increases the dimensions of the device and makes it difficult to use in domestic conditions.
- the technical result of the claimed invention is the creation of such a method and apparatus for water purification, which improve the quality of water purification from inorganic salts, organics and harmful impurities of heavy water (deuterium and tritium), reduce the time to obtain the finished product, weight, dimensions of the device and improve the usability of the specified device by fully automating the process of obtaining melt purified water.
- the specified technical result is achieved in that in a method of water purification, comprising first cooling water in a thermostatically controlled working vessel and then gradually freezing it at a temperature above the crystallization temperature of liquid brine with organic and inorganic impurities for a time sufficient to completely crystallize pure water with impurities of heavy water and the formation of a liquid brine with organic and inorganic impurities, the discharge of the specified brine, heating the mass of ice with a gradual increase temperature to values exceeding the crystallization temperature of heavy water and holding the ice at the specified temperature until it is fully thawed, re-cooling the water to the crystallization temperature of heavy water and holding it at the specified temperature until the crystallization of heavy water and draining the finished product in the form of purified melt water when it simultaneous filtration through a fine filter according to the invention, heating, cooling, crystallization of water and melting of ice is carried out uniformly outside the tank through m its thermally conductive contact with the walls of the thermoelectric elements in the automatic mode, the temperature of the
- the time for water purification from organic and inorganic impurities before draining the brine is no more than 360 minutes, and the full cycle of obtaining the finished product in the form of purified melt water does not exceed 480 minutes.
- the process of recrystallization of water is maintained at a temperature of not more than +2 0 C for at least 300 minutes.
- the content of pure melt water is at least 65 vol.% Of its initial volume with a decrease in the total content of inorganic impurities by at least 2 times.
- the specified technical result is also achieved by the fact that in the apparatus for water purification, including a working container with a lid and an inclined bottom with an opening for draining water, a means for freezing water and melting ice with a control unit, a container for receiving melt purified water and a container for receiving water with impurities and a high deuterium content, pipelines with a means for controlling the discharge of water in the latter, connected to the drain hole of the inclined bottom of the working tank for freezing water and melting ice, drain pipe which are mounted respectively above the vessel for receiving the melt of purified water and a container for receiving water with impurities and elevated the deuterium content, according to the invention, the means for freezing water and melting ice is made in the form of a thermoelectric module containing several thermoelectric elements located outside on the side walls of the working tank for freezing water and melting ice, the means for controlling the discharge of water in pipelines contains installed in pairs in the latter four valves, and these pipelines for draining water are additionally interconnected by a pipeline with a fine filter of water purification
- the control unit for means for freezing water and melting ice includes an electronic control unit for a thermoelectric module, a control unit for valves for draining water connected to the indicated valves, a program machine and a temperature measuring unit with temperature sensors installed on the bottom, side wall of the tank for freezing water, and melting ice and on radiators, thermoelectric module.
- the program machine is connected to the valve control unit, the temperature measurement unit and the electronic control unit of the thermoelectric module.
- FIG. 1 shows a diagram of the inventive apparatus for water purification.
- Figure 2 shows a graph of the temperature-time cycle of obtaining purified melt water.
- the apparatus includes a housing 1, in which a working container 2 with a cover 3 and an inclined bottom 4 with an opening 5 for draining water, a thermoelectric module 6 for freezing water and melting ice, a container 7 for receiving melt purified water and a container 8 for receiving water with impurities are placed and high deuterium content.
- Pipelines 9 and 10 contain means 11 for controlling the discharge of water and are connected to the hole 5 of the inclined bottom 4 of the working tank 2. Drain pipes 12 and 13 of the pipelines 9 and 10 are installed respectively above the tank 7 for receiving purified melt water and a capacity of 8 for receiving water with impurities and a high content of deuterium.
- the thermoelectric module 6 contains several thermoelectric elements 14 located outside on the side surface of the working vessel 2 for freezing water and melting ice.
- the means 11 for controlling the discharge of water in the pipelines 9 and 10 contains four normally closed valves 15, 16, 17 and 18 installed in pairs in the last, and these pipelines 9 and 10 for draining the water are additionally interconnected by a pipe 19 with a fine filter 20.
- the connection points of the pipeline 19 with the pipelines 9 and 10 for draining the water are respectively located between the normally closed valves 15, 16 and 17 and 18 of the means 11 for controlling the discharge of water in these pipelines.
- the apparatus has a control unit 21, including an electronic control unit 22 for the thermoelectric module 6 connected to its elements 14, a valve control unit 23 18-18 connected to the latter, a program machine 24 and a temperature measuring unit 25 with sensors 26, 27 and 28 temperature, respectively installed on the bottom and side wall of the tank 2, as well as on the radiators of the thermoelectric module 6.
- the program machine 24 is connected to the valve control unit 23, the temperature measurement unit 25 and the thermoelectric meter control unit 22 module 6.
- the method of water purification is carried out by means of an apparatus (Fig. 1). In a thermostatically controlled working tank 2 with a volume of, for example, 2 liters, pour 1.5 liters of tap water. All processes: heating, cooling, water crystallization and ice melting are carried out uniformly outside the working tank by means of thermoelectric elements 14 in contact with its thermally conductive walls in automatic mode by means of an electronic control unit 21 and algorithm (program) of the sequence of operations for water treatment.
- a graph of the temperature-time cycle is shown in FIG. 2.
- the thermoelectric module 6 When the thermoelectric module 6 is turned on to the cooling mode, the first cooling of the water occurs.
- the temperature of the medium inside the working tank 2 during the first cooling of the water is reduced to a value not lower than minus 3 ° C with a rate of change of the temperature of the medium in the working tank equal to the interval of 0, l-0.3 ° C / min (line 1, Fig. 2).
- the process of first crystallization of water is carried out.
- the cycle time of the first water crystallization is calculated automatically by software from the moment of its phase transition, determined by increasing the temperature of the medium at the side wall of the working vessel by at least 0.5 0 C.
- the temperature of the medium inside the working vessel during the first water crystallization is reduced to not below minus 4, O 0 C (temperature above the crystallization temperature of liquid brine with organic and inorganic impurities) with a rate of change of the temperature of the medium in the working tank equal to the interval of 0.05-0 , l ° C / min (line 2, Fig. 2).
- O 0 C temperature above the crystallization temperature of liquid brine with organic and inorganic impurities
- a rate of change of the temperature of the medium in the working tank equal to the interval of 0.05-0 , l ° C / min (line 2, Fig. 2).
- the ice remaining in the working tank is heated by switching the thermoelectric elements 14 to the heating mode.
- the temperature of the medium inside the working tank when the ice melts until it is completely melted after the brine is drained is increased to a value no higher than + 1O 0 C with the rate of change of the temperature of the medium in the working tank equal to the range of 0.16-0.18 0 C / min (line 3, Fig. 2).
- the mass of ice is heated with a gradual increase in temperature for about 85 minutes until it is fully thawed.
- water is re-cooled at a rate of change in the temperature of the medium in the working vessel equal to the range of 0.1-0.3 0 C / min to the crystallization temperature heavy water (not lower than plus 2 0 C) and holding it at the indicated temperature until the heavy water crystallizes completely for no more than 45 minutes (line 4, Fig. 2).
- the finished product is drained in the form of purified melt water in the amount of 950-1200 ml into a consumer container 7 while it is simultaneously filtered through a fine filter.
- the apparatus is turned on for several minutes in the heating mode to a temperature no higher than + 1O 0 C, at which the crystals of heavy water remaining in the tank 2 are melted (line 5, Fig.
- the residue with impurities of heavy water in an amount of 50-100 ml is poured into a container 8.
- the full cycle of obtaining the finished product in the form of purified melt water does not exceed 480 minutes.
- the content of pure melt water is at least (65-80) vol.% Of its initial volume with a decrease in the total content of inorganic impurities by at least 2 times.
- the operation of the apparatus is programmed in such a way that before it is drained into the consumer tank 7, the process of recrystallization of water is maintained at a temperature of no more than +2 0 C for at least 300 minutes.
- the device is included in the electrical network.
- control panel On the control panel (not shown) include a button "Network" connected to the electronic control unit 21.
- the network indicator lights up.
- the software machine 24 in the electronic control unit 21 performs the following algorithm of the device:
- valve control unit 23 opens the valves 15 and 18 (valves 16, 17 are closed). Flushing of the filter 20 and pipelines 9, 10 and
- Valves 15 and 18 are closed.
- the electronic control unit 22 for controlling the thermoelectric module 6 includes thermoelectric elements 14 in the cooling mode.
- the electronic control unit 21 includes a temperature measuring unit 25 by means of temperature sensors 26, 27 and 28 mounted respectively on the bottom and side wall of the container 2, as well as on the radiators of the thermoelectric module 6.
- thermoelectric elements 14 In tank 2, water is cooled to a crystallization temperature. After that, the phase transition is monitored - a spontaneous increase in temperature by 0.5-1.0 0 C in 1 minute, i.e. with a sharp increase in temperature by 0.5-1.0 0 C, a phase transition is recorded. Next, the process of crystallization (freezing water) is carried out - ice formation and cooling of the obtained ice to minus 4-5 0 C for 4-5 hours. The process of ice formation occurs in the direction from the walls of the working tank 2, cooled by thermoelectric elements 14 to the center. Heat removal from thermoelectric elements 14 is provided by radiators blown by fans (not indicated in the drawing).
- Impurities dissolved in water are displaced during the formation of ice into a volume located in the center of the working tank 2, thereby forming a “paccola” - water with a high content of salts and various pollutants.
- the freezing temperature of this "paccola” is minus 6-7 0 C.
- the valve control unit 23 opens the valves 17, 18 (valves, 15, 16 are closed).
- the "paccola” is drained from the working tank 2 through the pipeline 10 to the tank 8 within 2-3 minutes. Valves 17, 18 are closed.
- the control unit 22 of the thermoelectric module 6 includes thermoelectric elements 14 in the heating mode. Increase occurs the ice temperature in the working vessel 2 to a temperature of O 0 C, at which ice melts and then heats the resulting purified melt water with an admixture of heavy water to a temperature of + 1O 0 C after a period of time up to 85 minutes.
- the control unit 22 of the thermoelectric module 6 includes thermoelectric elements 14 in the cooling mode.
- the water temperature in the working tank 2 decreases to a temperature of +2 0 C (stabilization mode). Then, the control unit 22 of the thermoelectric module 6 turns on the thermoelectric elements 14 in thermostat mode to maintain the set temperature of purified melt water in the working tank 2 in the range of plus 2-3 ° C.
- the heavy water (D2O) contained in the melt water has a freezing temperature of +3, 8 ° C, thus, in the process of maintaining the temperature of melt water in the range +2 - +3 0 C, the process of crystallization of heavy water occurs with the formation of small crystals of heavy water.
- control unit 22 of the thermoelectric module 6 includes for short-term heating thermoelectric elements 14 in which the side walls of the vessel 2 are heated and crystals of heavy water are melted.
- the valve control unit 23 opens the valves 17, 18 for draining residual water into the tank 8.
- the control unit 22 of the thermoelectric module 6 turns off the thermoelectric elements 14.
- the electronic unit 21 controls turns off the temperature measurement unit 25 and turns off itself.
- melt water has not been drained and the device has been turned off, then the program machine 24 maintains a temperature of plus 20 0 C in the working tank (to preserve the structure of melt water) and, after the above time, sends a signal to the electronic control unit 21, which issues a command valve control unit 23. This opens the valves 17, 18 (valves 15, 17 are closed). Melt water is drained into the consumer tank 7.
- the valves 17, 18 are closed, the valve control unit 23 is turned off, the thermoelectric module 6 control unit 22 is turned off, the temperature measurement unit 25 is turned off, the program machine 24 is turned off, the electronic control unit 21 is turned off.
- the total time of the process of obtaining melt water is up to 480 minutes.
- the "Network" button is turned off.
- Table 1 shows the data of studies of the quality of water purification for the content of inorganic impurities conducted in the analytical center of the Institute of Geology and Mineralogy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. Table 1. The results of a study of the quality of water treatment
- the claimed method and apparatus for water purification in comparison with the known analogues and prototype improve the quality of water purification from harmful impurities and heavy water (deuterium and tritium) by concentrating the removed organic and inorganic impurities in the axial zone of the working tank, trapping crystals of heavy water through fine filter and allow the storing of distilled water thawed at 2 0 C, improve the usability of said device by using the thermoelectric ale ntov, performing it compact, low in weight and enable the automatic operation of all the water purification process. Automation of the water purification process also reduces the time to obtain the finished product due to optimally selected modes (speed and time, temperature, etc.) of freezing and thawing.
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Physical Water Treatments (AREA)
Abstract
Изобретение относится к очистке воды в бытовых условиях. Способ очистки воды включает первое охлаждение воды в термостатируемой емкости, при котором температуру среды снижают до величины не ниже 3°C со скоростью 0,1-0,3° С/мин, и последующее замораживание воды со скоростью 0,05-0,1°C/мин до температуры не ниже минус 4°C для полной кристаллизации чистой воды с примесями тяжелой воды и формирования жидкого рассола с примесями. Далее производят слив рассола, нагрев массы льда при постепенном повышении температуры со скоростью 0,16-0,18° С/мин до температуры не выше плюс 10°C и выдержку льда до полного его размораживания. Повторное охлаждение воды осуществляют со скоростью 0,1 - 0,3 °C/мин до температуры не ниже плюс 2°C и выдерживают тяжелую воду до полной ее кристаллизации. Очищенную воду сливают через фильтр. Аппарат для очистки воды включает корпус с термостатированной рабочей ёмкостью с крышкой и наклонным днищем с отверстием для слива воды, термоэлектрический модуль для замораживания воды и таяния льда с блоком управления, потребительскую емкость для приема талой очищенной воды и ёмкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Аппарат содержит трубопроводы со средством управления сливом воды, подсоединенные к сливному отверстию наклонного днища рабочей емкости. Трубопроводы дополнительно соединены между собой трубопроводом с фильтром тонкой очистки воды.
Description
Способ очистки воды и аппарат для его осуществления
Изобретение относится к способам и устройствам для очистки воды в бытовых условиях, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней канцерогенных и мутагенных веществ и газов, а также существенно уменьшить содержание в ней тяжелых изотопов водорода (дейтерия и трития) путем фазового разделения исходной воды с примесями, методом кристаллизации вымораживанием в замкнутом объеме на чистую воду и воду с примесями и может быть использована в быту, пищевой промышленности и медицине. Известно, что реакция биосистем при воздействии на них воды (H2O)мoжeт изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений изотопного состава H2O. Применение воды с повышенной концентрацией тяжелых изотопов, в частности дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма, ограничивая возможность ее использования в лечебно- профилактических целях [ Кushпеr DJ., Ваkеr F., Duпstаll Т.G. Сап. J.Рhуsiоl. Рhагmасоl. 1999,Teb. 77(2): 79-88.]. В то же время на разных биообъектах зарегистрирована положительная биологическая активность вод, полученных с помощью различных технологических процессов, относящихся к категории изотопно-легких, со сниженной в той или иной мере, по сравнению с исходной концентрацией дейтерия [Sоmlуаi G. Lеt's Dеfеаt Сапсеr !. Аkаdеmiаi Кiаdо, Вudареst, 2001.].
Данные литературы свидетельствуют и о биологической эффективности снеговой или талой воды, выражающейся в ее стимулирующем действии на рост и развитие растений [Родимов Б. H. Действие снеговой воды на живые организмы. Сельскохозяйственное производство Сибири и Дальнего Bocтoкa». Омск 4, 1965 г., стр. 56-57.]. Увеличение концентрации тяжелых изотопов в организме человека приводит к изменению нормального хода биохимических процессов, что снижает функциональные возможности организма. В результате возникает необходимость в повышении содержания 1H2 16O в обычной питьевой воде.
Известен способ обработки воды, включающий получение из исходной воды льда, его оттаивание и сбор талой воды. Причем получение льда осуществляют частичным (на 2/3 объема) замораживанием исходной воды [Денисов И. , Матвеев Cl Пейте чистую вoдy//ж. «Paбoтницa», M. - 1991, Хч 11, с. 34-36. Благодаря тому, что процесс замораживания воды прекращают до замерзания всего ее объема, а не перешедший в лед остаток сливают, в воде, полученной при таянии "ледяного стакана", концентрация ионов тяжелых металлов и некоторых изотопов уменьшена.
Тем не менее, этот способ не позволяет понизить содержание в талой воде молекул тяжелой (тритиевой и дейтериевой) воды, которые в большей степени вместе с молекулами легкой (протиевой) воды переходят в лед. Кроме того, упомянутый способ не позволяет эффективно структурировать воду и не обеспечивает условий, позволяющих в процессе его осуществления активно влиять на свойства получаемой воды. Для осуществления известного способа используют устройство, представляющее собой бытовой или промышленный холодильник (морозильник), содержащий корпус, в котором размещены устройство для замораживания в виде камеры и емкость для исходной воды [Политехнический словарь под редакцией акад. H. И. Артоболевского, M. , 1977, с. 546.] . Недостатками известных способа и устройства являются то, что они не обеспечивают разделения воды на легкую и тяжелую с удалением последней и не позволяют существенно улучшить ее биологические свойства.
Известен способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием, заключающийся в ее замораживании, дроблении льда и его таянии, отличающийся тем, что замораживание воды проводят до 70 - 90% 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 .N°2077160, МПК C02F1/22, опубл. 10.04.1997 г.).
Известны способы получения высокочистой питьевой воды, включающие стадии давления нерастворенных механических примесей, удаления хлора, умягчения, удаления органики, дегазации, недостатком которых является получение питьевой воды с невысокой степенью очистки, которая, к тому же, не обладает целебными свойствами (EP 0249049, МПК С 02 F 9/00, 1987; EP 0312079, МПК С 02 F 9/00, 1989).
Известны также способы получения высокочистой питьевой воды, обладающей целебными свойствами, в которых, помимо ряда стадий по очистке воды, имеется стадия замораживания воды (патент СССР N° 1799367, МПК С 02 F 9/00, 1991, патент РФ Лfe2010772, МПК С 02 F 9/00, 1992, патент РФ JVs 2031085, кл С 02 F 9/00. 1992).
Известен способ промышленной очистки воды путем ее замораживания и устройство для его осуществления (Любарский В. M. Осадки природных вод и методы их обработки. M.: Стройиздат, 1980. с. 98-99, рис. 22). Устройство включает резервуар для размещения воды и технические средства для ее охлаждения (замораживания) и нагрева (размораживания).
К недостаткам выше приведенных способов можно отнести невысокую степень очистки воды, что обусловлено отсутствием оптимально подобранных режимов (скорость и время, величины температурных режимов и т.п.) замораживания и оттаивания.
Известен другой способ (Совет на всякий случай. M.:, газета "Рабочая трибуна", N 21 (321), 30.01.91) очистки питьевой воды в быту путем ее замораживания и устройство (Патент РФ, JYs2058262, МПК С 02 F 1/22, опубл. 20.04.96) для его осуществления. Способ включает залив воды в емкость, первое размещение емкости в морозильной камере, охлаждение воды до образования на ее поверхностях дейтериевого слоя льда толщиной 1-3 мм, извлечение емкости из холодильной камеры и удаление слоя дейтериевого льда, вторичное размещение емкости в морозильной камере и выдержка до образования чистого слоя льда и не доведенной до замерзания неочищенной, химически загрязненной, воды (остаточного рассола), извлечение емкости из морозильной камеры и отделение чистого льда от
остаточного рассола, размораживание чистого льда. В процессе вторичного замораживания исходная вода, содержащая примеси в виде растворенных солей, органических веществ и ядохимикатов, разделяется на пресный чистый лед и остаточный рассол, который сосредотачивается в центральной зоне замораживаемого первичного объема воды.
Известный способ очистки воды имеет следующие недостатки: - наличие двух отдельных стадий замораживания и двух отдельных стадий отделения льда от воды повышает трудоемкость ее очистки; неудобное удаление дейтериевой (тяжелой) воды, связанное с извлечением емкости из морозильной камеры, переливанием незамерзшей воды в новую (временную) емкость, удалением образовавшегося слоя первого льда (толщиной 1-3 мм) на верхней поверхности воды, дне и у боковых стенок основной емкости, переливание воды из временной емкости в основную, установка ее в морозильную камеру; используемое иногда на ранней стадии удаление слоя первого льда только с одной верхней поверхности, без переливания воды во временную емкость, увеличивает количество оставшейся дейтериевой воды в очищенной воде. Учитывая эти недостатки, внешне "простой" способ очистки воды путем ее замораживания не получил распространения в бытовых условиях, хотя проблема получения "стакана чистой питьевой воды" крайне актуальна.
Известное устройство (Патент РФ, JVГ22058262, МПК С 02 F 1/22, опубл. 20.04.96) для очистки питьевой воды путем ее замораживания включает емкость (резервуар) для размещения воды, верхнюю крышку с выемкой для размещения слоя 5 льда первичного замораживания, дно с выемкой для размещения воды и слоя льда вторичного замораживания, нагревательные элементы и запор, обеспечивающий прижим крышки и дна к резервуару, уплотнители между крышками и резервуаром.
Недостатки известного устройства для очистки воды в быту: сложность конструкции; недостаточное количество удаляемого дейтериевого льда, так как это предполагается делать только с одной верхней поверхности замораживаемой воды; трудность удаления дейтериевого льда даже только с
одной верхней поверхности, так как процесс образования льда идет по всей внутренней поверхности емкости; трудность разделения чистого льда и остаточного рассола с помощью съемного дна с глубокой выемкой, так как процесс образования вторичного льда идет не сверху вниз, а по всей поверхности.
Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола, и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом (патент РФ JЧ°23412817, МПК C02F 1/22, опубл. 20.12.2007). Водоочиститель имеет раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда, и дополнительно снабжен приводным устройством перемещения стержня замороженной воды, смонтированным за морозильной камерой и разобщающим устройством, размещенным по центру стержня замороженной воды и выполненным в виде трубы. Разобщающее устройство имеет на входе кольцевую режущую часть, а на выходе - расширяющийся профиль, образующий выходной патрубок для удаления примесей в виде рассола. Однако данное устройство сложно в конструктивном выполнении, имеет большие габариты морозильной камеры, вес, что затрудняет его использование в бытовых условиях.
Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды в промышленных масштабах из морской воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом, раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда (Патент Франции JЧ22858607, МПК C02F 1/22, опубл. 11.02.2005).
Однако данное устройство также имеет большие габариты морозильной камеры, общий вес установки, предназначенной для опреснения воды в промышленных масштабах, что затрудняет его использование в бытовых условиях. Кроме того в устройстве не предусмотрена возможность удаления тяжелой воды (дейтерия и трития), что снижает чистоту продукта и его полезные свойства.
Известен аппарат для очистки воды, включающий емкость с крышкой и коническим днищем с отверстием для слива воды и термоэлектрическим модулем для замораживания воды и таяния льда, емкость для приема талой очищенной воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, блоком управления термоэлектрическим модулем, трубопроводами для слива воды, подсоединенными одними концами к сливному отверстию конического днища емкости для замораживания воды и таяния льда, а другие концы этих трубопроводов снабжены клапанами, под которыми установлены соответственно емкость для приема очищенной талой воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия (Патент Японии N°5123668, МПК С 02
F 1/22, F25 В 21/02, опубл. 21.05.1993 г.).
Однако такой аппарат имеет в термоэлектрическом модуле один охлаждающий или нагревающий элемент, который расположен с одной стороны емкости, что не позволяет равномерно по объему замораживать воду в виде осесимметричного тороидального тела или равномерно оттаивать лед, вследствие чего снижается качество очистки воды от вредных примесей. В данном аппарате система слива очищенной (талой) воды и загрязненной примесями в емкости не позволяет быстро подготавливать устройство к работе между циклами и не обеспечивает его работу в автоматическом режиме, что снижает удобство пользование аппаратом. Кроме того, в "устройстве не предусмотрена возможность удаления тяжелой воды (дейтерия и трития), что снижает чистоту продукта и его полезные свойства.
Наиболее близким аналогом способа (прототипом) является способ очистки воды в емкости (Патент РФ JV°2274607, МПК C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 г.), 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)°C, обуславливающую 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°C слоев пара. Размораживание льда производят путем нагревания экранированного кабеля, намотанного на боковую поверхность емкости.
Наиболее близким аналогом устройства (прототипом) является установка для очистки воды (Патент РФ N°2274607, МПК C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 г.), содержащая емкость для неочищенной воды, установленный в емкости теплообменник для отвода тепла и намораживания льда, средства для нагрева и оттаивания льда, морозильный агрегат с системой его охлаждения, трубопровод с вентилем для слива воды с примесями, трубопровод с вентилем для слива талой воды, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен по форме многоступенчатого змеевика, расположенного в верхней части емкости по высоте примерно 1/3÷2/3 высоты емкости на расстоянии 2÷5 см относительно верхнего основания емкости и симметрично относительно ее боковой поверхности с зазором, обеспечивающим возможность объемного намораживания льда в воде вокруг змеевика до размера, не перекрывающего при кристаллизации льдом этот зазор, емкость снабжена термоизоляционной крышкой и уплотнением, трубопровод для слива воды с примесями установлен в самом сечении конического дна емкости, трубопровод для слива талой воды установлен внизу выше конического дна емкости на 0,5÷2 см. Установка снабжена фильтром тонкой очистки с водоотводящей трубкой с вентилем и насосом для циркуляции и перекачки талой воды под давлением через фильтр тонкой очистки и блоком управления в ручном или автоматическом режиме.
Основными недостатками прототипов способа и устройства является недостаточное качество очистки воды вследствие того, что в устройстве теплообменник размещен внутри рабочей емкости, что не позволяет равномерно по объему замораживать воду в виде осесимметричного тороидального тела или равномерно оттаивать лед, вследствие чего снижается качество очистки воды от вредных примесей и дейтерия. Указанная установка имеет большие габариты и вес морозильного агрегата с системой его охлаждения, а часть полезного объема в емкости для замораживания воды занята теплообменником, выполненным в виде змеевика, что также повышает габариты устройства и затрудняет его использование в бытовых условиях.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание такого способа и аппарата для очистки воды, которые повышают качество очистки воды от неорганических солей, органики и вредных примесей тяжелой воды (дейтерия и трития), снижают время получения готового продукта, вес, габариты устройства и улучшают удобство пользования указанным устройством путем полной автоматизации процесса получения талой очищенной воды.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки воды, включающем 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 достаточном 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 при ее одновременной фильтрации через фильтр тонкой очистки, согласно изобретения, нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи 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 30C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,l-0,3°C/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 0,50C, температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 4,O0C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,05-0, ГС/мин, температуру среды внутри рабочей емкости при таянии льда до полного его расплавления после слива рассола повышают до величины не выше плюс 1O0C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,16- 0,18°C/мин, а температуру среды внутри рабочей емкости при повторном охлаждении воды и кристаллизации тяжелой воды снижают до величины не ниже плюс 20C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,1-0,30C /мин.
Время очистки воды от органических и неорганических примесей до слива рассола составляет не более 360 минут, а полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды не превышает 480 минут. Для более длительного сохранения биологически активных свойств очищенной талой воды перед ее сливом в потребительскую емкость процесс повторной кристаллизации воды поддерживают при температуре не более +20C в течение не менее 300 минут.
Содержание чистой талой воды составляет не менее 65 oб.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 2 раза.
Указанный технический результат достигается также тем, что в аппарате для очистки воды, включающем рабочую емкость с крышкой и наклонным днищем с отверстием для слива воды, средство для замораживания воды и таяния льда с блоком управления, емкость для приема талой очищенной воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, трубопроводы со средством для управления сливом воды в последних, подсоединенные к сливному отверстию наклонного днища рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, сливные патрубки которых установлены соответственно над емкостью для приема очищенной талой воды и емкостью для приема воды с примесями и повышенным
содержанием дейтерия, согласно изобретения, средство для замораживания воды и таяния льда выполнено в виде термоэлектрического модуля, содержащего несколько термоэлектрических элементов, расположенных снаружи на боковых стенках рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, средство для управления сливом воды в трубопроводах содержит установленные попарно в последних четыре клапана, а указанные трубопроводы для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом с фильтром тонкой очистки воды, места соединения которого с трубопроводами для слива воды расположены между клапанами средства для управления сливом воды в указанных трубопроводах. Блок управления средствами для замораживания воды и таяния льда включает электронный блока управления термоэлектрическим модулем, блок управления клапанами для слива воды, соединенный с указанными 'клапанами, программный автомат и блок измерения температуры с датчиками температуры, установленными на дне, боковой стенке емкости для замораживания воды и таяния льда и на радиаторах, термоэлектрического модуля. Причем, программный автомат подключен к блоку управления клапанами, блоку измерения температуры и электронному блоку управления термоэлектрическим модулем. На чертеже фиг. 1 изображена схема заявляемого аппарата для очистки воды. На фиг.2 приведен график температурно-временного цикла получения очищенной талой воды.
Описание аппарата для реализации способа очистки воды. Аппарат включает корпус 1 , в котором размещены рабочая емкость 2 с крышкой 3 и наклонным днищем 4 с отверстием 5 для слива воды, термоэлектрический модуль 6 для замораживания воды и таяния льда, емкость 7 для приема талой очищенной воды и емкость 8 для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Трубопроводы 9 и 10 содержат средство 11 для управления сливом воды и подсоединены к отверстию 5 наклонного днища 4 рабочей емкости 2. Сливные патрубки 12 и 13 трубопроводов 9 и 10 установлены соответственно над емкостью 7 для
приема очищенной талой воды и емкостью 8 для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Термоэлектрический модуль 6 содержит несколько термоэлектрических элементов 14, расположенных снаружи на боковой поверхности рабочей емкости 2 для замораживания воды и таяния льда. Средство 11 для управления сливом воды в трубопроводах 9 и 10 содержит установленные попарно в последних четыре нормально закрытых клапана 15, 16, 17 и 18, а указанные трубопроводы 9 и 10 для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом 19 с фильтром 20 тонкой очистки воды. Места соединения трубопровода 19 с трубопроводами 9 и 10 для слива воды расположены соответственно между нормально закрытыми клапанами 15, 16 и 17 и 18 средства 11 для управления сливом воды в указанных трубопроводах. Кроме того, аппарат имеет блок 21 управления, включающий электронный блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6, соединенный с его элементами 14, блок 23 управления клапанами 15-18, соединенный с последними, программный автомат 24 и блок 25 измерения температуры с датчиками 26, 27 и 28 температуры, установленными соответственно на дне и боковой стенке емкости 2, а также на радиаторах термоэлектрического модуля 6. Программный автомат 24 подключен к блоку 23 управления клапанами, блоку 25 измерения температуры и блоку 22 управления термоэлектрическим модулем 6. В варианте выполнения аппарата для
- бытовых нужд емкости 2, 7 и 8 имеют объем 2 литра. Вес прибора с пустыми емкостями составляет не более 5 кг, потребляемая мощность - 350 ватт, а габариты не более 300x320x270 мм. Описание способа очистки воды. Способ очистки воды осуществляют посредством аппарата (фиг. 1). В термостатируемую рабочую емкость 2 объемом, например, 2 л заливают 1,5 л водопроводной воды. Все процессы: нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками термоэлектрических элементов 14 в автоматическом режиме посредством электронного блока 21 управления и
алгоритма (программы) последовательности выполнения операций по очистке воды. График температурно-временного цикла приведен на фиг. 2. При включении термоэлектрического модуля 6 на режим охлаждения происходит первое охлаждение воды. Температуру среды внутри рабочей емкости 2 при первом охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,l-0,3°C/мин (линия 1, фиг. 2). Далее осуществляют процесс первой кристаллизации воды. 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 0,50C. Температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 4,O0C (температура выше температуры кристаллизации жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями) со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,05- 0,l°C/мин (линия 2, фиг. 2). В течение времени (около 360 минут) достигается полная кристаллизация чистой воды в виде тороида с примесями тяжелой воды и формирование жидкого рассола внутри указанного тела с органическими и неорганическими примесями. В течение нескольких минут рассол объемом от 300 до 550 мл сливают в отведенную для него емкость 8. Оставшийся в рабочей емкости лед нагревают путем переключения термоэлектрических элементов 14 на режим нагрева. Температуру среды внутри рабочей емкости при таянии льда до полного его расплавления после слива рассола повышают до величины не выше плюс 1O0C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,16-0,18 0C /мин (линия 3, фиг. 2). Нагрев массы льда при постепенном повышении температуры осуществляют около 85 минут до полного его размораживания. Затем проводят повторное охлаждение воды со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,1-0,3 0C /мин до температуры кристаллизации
тяжелой воды (не ниже плюс 20C) и выдержке ее при указанной температуре до полной кристаллизации тяжелой воды в течение не более 45 минут (линия 4, фиг. 2). Затем производят в течение нескольких минут слив готового продукта в виде очищенной талой воды в количестве 950-1200 мл в потребительскую емкость 7 при ее одновременной фильтрации через фильтр тонкой очистки. Далее аппарат включают на несколько минут на режим нагрева до температуры не выше +1O0C, при котором расплавляются оставшиеся в емкости 2 кристаллы тяжелой воды (линия 5, фиг. 2). Остаток с примесями тяжелой воды в количестве 50-100 мл сливают в емкость 8. Полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды не превышает 480 минут. Содержание чистой талой воды составляет не менее (65-80) oб.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 2 раза.
При необходимости для более длительного сохранения биологически активных свойств очищенной талой воды работу аппарата программируют таким образом, что перед ее сливом в потребительскую емкость 7 процесс повторной кристаллизации воды поддерживается при температуре не более +20C в течение не менее 300 минут.
Описание работы аппарата для очистки воды. 1. Устройство включают в электрическую сеть.
2. Открывают крышку 3 и в рабочую емкость 2 заливают 1,5-1,7 литра воды (питьевая, водопроводная по ГОСТу). Крышку 3 закрывают.
3. На пульте управления (на чертеже не показан) включают кнопку «Ceть», соединенную с электронным блоком 21 управления. Загорается индикация сети.
4. Нажимают кнопку «Haчaть пpoцecc».
Программный автомат 24 в электронном блоке управления 21 выполняет следующий алгоритм работы устройства:
4.1. Блок управления клапанами 23 открывает клапаны 15 и 18 (клапаны 16, 17 закрыты). Происходит промывка фильтра 20 и трубопроводов 9, 10 и
19 водой в объеме 20-50 мл из рабочей емкости 2 и слив грязной воды в
емкость 8.
4.2. Клапаны 15 и 18 закрываются.
4.3. Электронный блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает термоэлектрические элементы 14 в режим охлаждения. Электронный блок управления 21 включает блок 25 измерения температуры посредством датчиков 26, 27 и 28 температуры, установленных соответственно на дне и боковой стенке емкости 2, а также на радиаторах термоэлектрического модуля 6.
4.4. В емкости 2 происходит охлаждение воды до температуры кристаллизации. После этого идет контроль фазового перехода - спонтанного повышения температуры на 0,5-1,00C за 1 минуту, т.е. при резком повышении температуры на 0,5-1,00C фиксируется фазовый переход. Далее осуществляется процесс кристаллизации (замораживания воды) - образование льда и охлаждение полученного льда до минус 4-5 0C в течение 4-5 часов. Процесс льдообразования происходит в направлении от стенок рабочей емкости 2, охлаждаемых термоэлектрическими элементами 14 к центру. Отвод тепла от термоэлектрических элементов 14 обеспечивается с помощью радиаторов, обдуваемых вентиляторами (на чертеже не обозначены). Растворенные в воде примеси (соли металлов, органические загрязнения и т.д.) в процессе образования льда вытесняются в объем, расположенный по центру рабочей емкости 2, тем самым происходит образование «paccoлa» - вода с повышенным содержанием солей и различных загрязнителей. В соответствии с общеизвестными данными температура замерзания данного «paccoлa» составляет минус 6-70C.
4.5. Блок 23 управления клапанами открывает клапаны 17, 18 (клапаны ,15, 16 закрыты). Происходит слив «paccoлa» из рабочей емкости 2 по трубопроводу 10 в емкость 8 в течение 2-3 минут. Клапаны 17, 18 закрываются. 4.6. Блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает термоэлектрические элементы 14 в режим нагрева. Происходит повышение
температуры льда в рабочей емкости 2 до температуры O0C, при которой ^ наступает плавление льда и последующий нагрев полученной очищенной талой воды с примесью тяжелой воды до температуры +1O0C по истечении времени до 85 минут. 4.7. Далее блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает термоэлектрические элементы 14 в режим охлаждения. Происходит понижение температуры воды в рабочей емкости 2 до температуры +20C (режим стабилизации). Затем блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает термоэлектрические элементы 14 в режим термостата для поддержания заданной температуры очищенной талой воды в рабочей емкости 2 в диапазоне плюс 2-3 0C. Находящаяся в составе талой воды тяжелая вода (D2O) имеет температуру замерзания +3,8°C, таким образом, в процессе поддержания температуры талой воды в диапазоне +2 - +30C, происходит процесс кристаллизации тяжелой воды с образованием мелких кристаллов тяжелой воды.
4.8. После истечения 45 минут на электронном блоке 21 управления загорается надпись «Пpoцecc окончен. Талая вода гoтoвa». После загорания надписи в течение 300 минут может быть реализован слив талой воды и выключение устройства. 5. Нажимают кнопку «Taлaя вoдa». Блок 23 управления клапанами открывает клапаны 16, 17 (клапаны 15, 18 закрыты), происходит слив талой воды по трубопроводам 9, 10 через фильтр 20 в емкость 7 в течение времени 3-5 минут. Прохождение талой воды через фильтр 20 обеспечивает осаждение на нем мельчайших кристаллов тяжелой воды (D2O). Блок 23 управления клапанами закрывает клапаны 16, 17.
6. Далее блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает на кратковременный нагрев термоэлектрические элементы 14 при котором нагреваются боковые стенки емкости 2 и расплавляются кристаллы тяжелой воды. Блок 23 управления клапанами открывает клапаны 17, 18 для слива остатков воды в емкость 8. Блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 выключает термоэлектрические элементы 14 .Электронный блок
21 управления выключает блок 25 измерения температуры и выключается сам.
7. Если в течение 300 минут после загорания надписи «Пpoцecc окончен. Талая вода гoтoвa» не произведен слив талой воды и отключения устройства, то программный автомат 24 поддерживает в рабочей емкости температуру плюс 20C (для сохранения структуры талой воды) и по истечении указанного выше времени подает сигнал на электронный блок 21 управления, который выдает команду блоку 23 управления клапанами. При этом открываются клапаны 17, 18 (клапаны 15, 17 закрыты). Происходит слив талой воды в потребительскую емкость 7.
8. Клапаны 17, 18 закрываются, отключается блок 23 управления клапанами, отключается блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6, отключается блок 25 измерения температуры, отключается программный автомат 24, отключается электронный блок 21 управления. Общее время протекания процесса получения талой воды до 480 минут. 9. Кнопку «Ceть» выключают.
В таблице 1 приведены данные исследований качества очистки воды на содержание неорганических примесей, проведенных в аналитическом центре Института геологии и минералогии Сибирского отделения РАН. Таблица 1. Результаты исследования качества очистки воды
Таким образом, заявляемые способ и аппарат для очистки воды по сравнению с известными аналогами и прототипом повышают качество очистки воды от вредных примесей и тяжелой воды (дейтерия и трития) за счет концентрирования удаляемых органических и неорганических примесей в приосевой зоне рабочей емкости, улавливания кристаллов тяжелой воды посредством фильтра тонкой очистки и обеспечения возможности хранения очищенной талой воды при +20C, улучшают удобство пользования указанным устройством за счет использования термоэлектрических элементов, выполнения его компактным, небольшим по весу и обеспечения возможности работы в автоматическом режиме всего процесса очистки воды. Автоматизация процесса очистки воды позволяет также сократить время получения готового продукта за счет оптимально подобранных режимов (скорость и время, температура и т.п.) замораживания и оттаивания.
Claims
1. Способ очистки воды, 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 достаточном 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, отличающийся тем, что 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 30C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,l-0,3°C/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 0,50C, температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 40C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,05-0, l°C/мин, температуру среды внутри рабочей емкости при таянии льда до полного его расплавления после слива рассола повышают до величины не выше плюс 1O0C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0Д6-0,18°C/мин, а температуру среды внутри рабочей емкости при повторном охлаждении воды и кристаллизации тяжелой воды снижают до величины не ниже плюс 20C со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,1-0,30C /мин.
2. Способ очистки воды по п. 1, отличающийся тем, что время очистки воды от органических и неорганических примесей до слива рассола составляет не более 360 минут, а полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды не превышает 480 минут.
3. Способ очистки воды по п. 1, отличающийся тем, что для более длительного сохранения биологически активных свойств очищенной талой воды перед ее сливом в потребительскую емкость процесс повторной кристаллизации воды поддерживают при температуре не более +20C в течение не менее 300 минут.
4. Способ очистки воды по п. 1, отличающийся тем, что содержание чистой талой воды составляет не менее 65 oб.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 2 раза.
5. Аппарат для очистки воды, включающий корпус (1), в котором размещены термостатированная рабочая емкость (2) с крышкой (3) и наклонным днищем (4) с отверстием (5) для слива воды, средство для замораживания воды и таяния льда с блоком (21) управления, потребительская емкость (7) для приема талой очищенной воды и емкость (8) для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, трубопроводы (9 и 10) со средством (11) для управления сливом воды в последних, подсоединенные к сливному отверстию (5) наклонного днища (4) рабочей емкости (2) для замораживания воды и таяния льда, сливные патрубки (13 и 12) которых установлены соответственно над потребительской емкостью (7) для приема очищенной талой воды и емкостью (8) для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, отличающийся тем, что средства для замораживания воды и таяния льда выполнены в виде термоэлектрического модуля (6), содержащего несколько термоэлектрических элементов (14), расположенных снаружи на боковой стенке рабочей емкости (2) для замораживания воды и таяния льда, средство (11) для управления сливом воды в трубопроводах (9 и 10) содержит установленные попарно в последних четыре нормально закрытых клапана (15, 16, 17 и 18), а указанные трубопроводы (9 и 10) для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом (19) с фильтром (20) тонкой очистки воды, участки соединения которого с трубопроводами (9 и 10) для слива воды расположены между клапанами (15, 16, 17 и 18) средства для управления сливом воды в указанных трубопроводах (9 и 10).
6. Аппарат по п. 5, отличающийся тем, что рабочая емкость (2) выполнена прямоугольной формы, соотношение ее высоты к длине и ширине составляет составляет соответственно не менее 1,0 и не более 1,2.
7. Аппарат по п. 5, отличающийся тем, что блок (21) управления средством для замораживания воды и таяния льда включает электронный блока (22) управления термоэлектрическим модулем (6), блок (23) управления клапанами (15-18) для слива воды, соединенный с указанными клапанами (15-18), программный автомат (24) и блок (25) измерения температуры с датчиками (26, 27 и 28) температуры, установленными на дне (4), боковой стенке емкости (2) для замораживания воды и таяния льда и на радиаторах термоэлектрического модуля (6), причем программный автомат (24) подключен к блоку (23) управления клапанами (15-18), блоку (25) измерения температуры и электронному блоку (22) управления термоэлектрическим модулем (6).
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009801576379A CN102387994A (zh) | 2009-01-29 | 2009-01-29 | 水净化方法和实施所述方法的装置 |
| PCT/RU2009/000028 WO2010087731A1 (ru) | 2009-01-29 | 2009-01-29 | Способ очистки воды и аппарат для его осуществления |
| UAA201110387A UA101430C2 (ru) | 2009-01-29 | 2009-01-29 | Способ очистки воды и аппарат для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2009/000028 WO2010087731A1 (ru) | 2009-01-29 | 2009-01-29 | Способ очистки воды и аппарат для его осуществления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2010087731A1 true WO2010087731A1 (ru) | 2010-08-05 |
Family
ID=42395810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2009/000028 WO2010087731A1 (ru) | 2009-01-29 | 2009-01-29 | Способ очистки воды и аппарат для его осуществления |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102387994A (ru) |
| UA (1) | UA101430C2 (ru) |
| WO (1) | WO2010087731A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117907163A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-19 | 四川沃耐稀新材料科技有限公司 | 一种氯化镧冷却结晶筛分用测定装置 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105217708A (zh) * | 2015-10-28 | 2016-01-06 | 湖北华巳新能源环保工程有限公司 | 一种低温冷冻污水处理系统 |
| CN205073784U (zh) * | 2015-10-31 | 2016-03-09 | 深圳市易特科信息技术有限公司 | 用于过滤重水的净水器 |
| WO2020139161A1 (ru) * | 2018-12-29 | 2020-07-02 | МИХАЙЛОВ, Владимир Сергеевич | Система очистки воды методом перекристаллизации и теплообменные устройства (варианты) для её реализации |
| CN110156106A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-23 | 深圳鼎邦健康科技有限公司 | 一种低氘水的制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02194888A (ja) * | 1989-01-20 | 1990-08-01 | Toshiba Corp | 純水生成装置 |
| JPH05123668A (ja) * | 1991-11-05 | 1993-05-21 | Toto Ltd | 浄水製造方法および装置 |
| RU2221201C2 (ru) * | 2002-02-26 | 2004-01-10 | Малахов Анатолий Иванович | Устройство для замораживания жидкости |
| RU2274607C2 (ru) * | 2003-02-17 | 2006-04-20 | Евгений Николаевич Высоцкий | Способ очистки воды и установка для его осуществления |
| RU2344092C2 (ru) * | 2006-07-31 | 2009-01-20 | Евгений Николаевич Высоцкий | Способ очистки воды и установка для его осуществления |
-
2009
- 2009-01-29 UA UAA201110387A patent/UA101430C2/ru unknown
- 2009-01-29 WO PCT/RU2009/000028 patent/WO2010087731A1/ru active Application Filing
- 2009-01-29 CN CN2009801576379A patent/CN102387994A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02194888A (ja) * | 1989-01-20 | 1990-08-01 | Toshiba Corp | 純水生成装置 |
| JPH05123668A (ja) * | 1991-11-05 | 1993-05-21 | Toto Ltd | 浄水製造方法および装置 |
| RU2221201C2 (ru) * | 2002-02-26 | 2004-01-10 | Малахов Анатолий Иванович | Устройство для замораживания жидкости |
| RU2274607C2 (ru) * | 2003-02-17 | 2006-04-20 | Евгений Николаевич Высоцкий | Способ очистки воды и установка для его осуществления |
| RU2344092C2 (ru) * | 2006-07-31 | 2009-01-20 | Евгений Николаевич Высоцкий | Способ очистки воды и установка для его осуществления |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117907163A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-04-19 | 四川沃耐稀新材料科技有限公司 | 一种氯化镧冷却结晶筛分用测定装置 |
| CN117907163B (zh) * | 2024-03-19 | 2024-05-24 | 四川沃耐稀新材料科技有限公司 | 一种氯化镧冷却结晶筛分用测定装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102387994A (zh) | 2012-03-21 |
| UA101430C2 (ru) | 2013-03-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2393996C1 (ru) | Способ очистки воды и аппарат для его осуществления | |
| CA1333560C (en) | Dual freezing chamber system and method for water purification | |
| WO2010087731A1 (ru) | Способ очистки воды и аппарат для его осуществления | |
| RU81187U1 (ru) | Аппарат для очистки воды | |
| EA025716B1 (ru) | Способ очистки воды методом перекристаллизации и теплообменная емкость (варианты) для его осуществления | |
| RU2432320C2 (ru) | Аппарат для очистки воды | |
| AU2019204324A1 (en) | Treatment of water | |
| RU2274607C2 (ru) | Способ очистки воды и установка для его осуществления | |
| US10118836B2 (en) | Apparatus, use of apparatus and process for desalination of water | |
| EA017783B1 (ru) | Аппарат для очистки воды | |
| RU2407706C2 (ru) | Устройство получения легкой воды | |
| RU2350565C2 (ru) | Установка очистки воды | |
| RU83068U1 (ru) | Аппарат для очистки воды | |
| RU2557628C2 (ru) | Аппарат для очистки воды | |
| EA023930B1 (ru) | Аппарат для очистки воды методом перекристаллизации | |
| RU2128144C1 (ru) | Установка для очистки питьевой воды | |
| RU2344092C2 (ru) | Способ очистки воды и установка для его осуществления | |
| RU114948U1 (ru) | Аппарат для очистки воды | |
| RU2548437C1 (ru) | Способ очистки воды путем ее замораживания и устройство для его осуществления | |
| RU51612U1 (ru) | Устройство для получения методом пристеночной кристаллизации высококачественной питьевой воды с пониженной концентрацией растворенных солей и улучшенной структурой воды, обогащенной кислородом | |
| RU2788566C1 (ru) | Теплообменная емкость и аппарат для очистки воды методом перекристаллизации с ее использованием | |
| RU2543868C2 (ru) | Устройство получения легкой воды | |
| RU99477U1 (ru) | Аппарат для очистки воды | |
| RU191503U1 (ru) | Теплообменное устройство для системы очистки воды методом перекристаллизации | |
| WO2015030631A1 (ru) | Способ получения и хранения талой воды |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 200980157637.9 Country of ref document: CN |
|
| ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2009104927 Country of ref document: RU Kind code of ref document: A |
|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 09839353 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: a201110387 Country of ref document: UA |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 09839353 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |