Индикатор качества очистки воды

 

Изобретение относится к устройствам для определения качества воды после очистки и предназначено для включения в систему водоочистки и водоподготовки. С целью увеличения чувствительности и возможности проведения измерений в области малой разности концентраций индикатор содержит камеры очищенной и исходной воды, соединенные с атмосферой и разделенные полупроницаемой мембраной. Камеры при помощи вентилей соединены с системой подачи очищенной и исходной воды, соответственно. Камера очищенной воды имеет измерительный капилляр диаметром 1-3 мм, в нижней части которого выполнен расширитель. При этом объем камеры исходной воды превышает суммарный объем камеры очищенной воды и измерительного капилляра с расширителем в 3-10 раз, суммарный объем измерительного капилляра с расширителем превышает объем камеры очищенной воды в 1-5 раз, объем расширителя в 25-20 раз превышает объем измерительного капилляра. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для определения качества воды после очистки самыми различными методами: мембранное разделение, очистка при помощи ионообменных смол и т.п. Данное изобретение может быть включено в технологическую схему системы водоочистки и водоподготовки.

В настоящее время контроль качества питьевой воды имеет решающее значение в процессах водоподготовки. Для этого используются приборы, принцип работы которых основан на различных методах: измерение удельной электропроводности, определение рН среды, определение окислительно-восстановительного потенциала [1, 2] Указанные методы, как и известное аналитическое титрование, основаны на определении степени очистки воды по количественным показателям. Однако, в локальных установках по очистке воды, как правило, достаточно оценить степень очистки в качественных показателях, но при этом требуется обеспечить простоту проведения измерений и одновременно надежность работы измерительного прибора.

Наиболее близким по технической сущности является способ, реализованный в устройстве [3] содержащем камеры очищенной и исходной воды, соединенные с атмосферой и разделенные полупроницаемой мембраной.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение чувствительности индикатора, особенно в диапазоне малой разности концентраций солей в очищенной и исходной воде.

Указанная задача решается за счет того, что камера очищенной воды соединена с измерительным капилляром, в нижней части которого выполнен расширитель, и при помощи вентиля соединена с системой подачи очищенной воды, а камера исходной воды при помощи вентиля соединена с системой подачи исходной воды. При этом объем камеры исходной воды превышает суммарный объем камеры очищенной воды и измерительного капилляра с расширителем в 3-10 раз, суммарный объем измерительного капилляра и расширителя превышает объем камеры очищенной воды в 1-5 раз, причем объем расширителя в 25-30 раз превышает объем измерительного капилляра, а диаметр измерительного капилляра составляет 1-3 мм. Причем в качестве полупроницаемой мембраны используется обратноосмотическая мембрана с селективностью по 0,15% раствору NaCl не менее 95% Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что камера очищенной воды соединена с измерительным капилляром, в нижней части которого выполнен расширитель, и при помощи вентиля соединена с системой подачи очищенной воды, а камера исходной воды при помощи вентиля соединена с системой подачи исходной воды, при этом объем камеры исходной воды превышает суммарный объем камеры очищенной воды и измерительного капилляра с расширителем в 3-10 раз, суммарный объем измерительного капилляра с расширителем превышает объем камеры очищенной воды в 1-5 раз, причем объем расширителя в 25-50 раз превышает объем измерительного капилляра, а диаметр измерительного капилляра составляет 1-3 мм. При этом в качестве полупроницаемой мембраны используется обратноосмотическая мембрана с селективностью по 0,15% раствору NaCl не менее 95% Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое изобретение соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа.

После заполнения камер, разделенных между собой полупроницаемой мембраной, соответственно исходной и очищенной водой за счет наличия разности концентраций растворенных солей в исходной и очищенной воде в камерах создается разное осмотическое давление, что вызывает процесс молекулярной диффузии (осмос), т.е. перенос растворителя, в нашем случае воды, через полупроницаемую мембрану из камеры с очищенной водой в камеру с исходной водой. Причем, чем больше начальная разница концентраций растворов в исходной и очищенной воде, тем выше скорость потока воды, но при достижении равновесной концентрации в камерах скорость потока воды падает и принимает свое минимальное значение. В результате такого процесса наблюдается изменение уровней воды в камерах: в камерах с очищенной водой уровень падает, а в камере с исходной повышается. По диапазону падения уровня воды в камере с очищенной водой можно судить о разности концентраций растворенных солей в исходной и очищенной воде, т.е. оценить качество очистки воды. Но процесс изменения уровня очищенной воды протекает очень медленно, поэтому, чтобы реализовать вышеописанный эффект конструктивно в индикаторе качества воды, необходимо увеличить диапазон изменения уровня очищенной воды в капилляре, т.е. чувствительность, таким образом, чтобы можно было определить качество очистки даже в условиях малой разности концентраций растворенных солей между очищенной и исходной воды и при этом увеличить скорость выхода индикатора на рабочий режим.

Для реализации указанной цели существенное значение имеет соотношение объема камеры исходной воды и суммарного объема камеры очищенной воды и измерительного капилляра с расширителем. Увеличение объема камеры исходной воды по сравнению с суммарным объемом камеры очищенной воды и измерительного капилляра с расширителем приводит к увеличению времени процесса выравнивания концентраций в камерах, т.е. увеличивается время выхода на режим индикатора. При уменьшении указанного соотношения процесс выравнивания концентраций в камерах происходит быстрее, т.к. для этого требуется небольшой объем очищенной воды, т.е. индикатор быстрее выходит на режим, но при этом уменьшается диапазон падения уровня воды в измерительном капилляре, что соответственно уменьшает чувствительность индикатора.

Экспериментально найдено, что оптимальные условия создаются при соотношении, когда объем камеры исходной воды превышает суммарный объем камеры очищенной воды и измерительного капилляра с расширителем в 3-10 раз.

Выбор соотношений между суммарным объемом измерительного капилляра с расширителем и объемом камеры очищенной воды должен обеспечить, с одной стороны, постоянное присутствие уровня воды в измерительном капилляре и расширителе для осуществления визуального контроля, а, с другой не должен влиять на время выхода прибора на режим, т.е. не должна увеличиваться скорость выравнивания концентраций. Уменьшение суммарного объема измерительного капилляра с расширителем по сравнению с объемом камеры очищенной воды, даже при небольшой разнице концентраций между исходной и очищенной водой, может привести к резкому падению уровня воды в измерительном капилляре с расширителем и в итоге к отсутствию этого уровня в зоне видимости, т.е. невозможности визуального контроля. Увеличение указанного соотношения вызывает уменьшение скорости выравнивания концентраций в камерах с исходной и очищенной водой, что увеличивает время выхода индикатора на рабочий режим и, кроме того, увеличивает габариты прибора.

Экспериментально определено, что суммарный объем измерительного капилляра с расширителем должен превышать объем камеры очищенной воды в 1-5 раз.

Выбор соотношения между объемом измерительного капилляра и объемом расширителя зависит от необходимости постоянного присутствия уровня воды в измерительном капилляре в зоне визуального контроля, особенно при условии большой разницы концентраций растворенных солей в исходной и очищенной воде, а также от скорости выхода прибора на рабочий режим. При наличии относительно небольшого по объему расширителя уровень воды в измерительном капилляре и расширителе выйдет за пределы зоны визуального контроля. При неоправданно большом объеме расширителя обеспечивается постоянное наличие уровня воды в измерительном диапазоне, но при этом возникают конструктивные сложности и, кроме того, увеличится время выхода индикатора на режим из-за большого суммарного объема камеры очищенной воды и капилляра с расширителем.

Экспериментально определено, что объем расширителя должен в 25-50 раз превышать объем капилляра.

Диаметр измерительного капилляра, с одной стороны, должен обеспечить условия для хорошего визуального контроля, а с другой необходимую чувствительность индикатора. При наличии большого диаметра капилляра обеспечиваются хорошие условия для визуального наблюдения, но при этом уменьшается измерительный диапазон капилляра, т.е. снижается чувствительность индикатора. С уменьшением диаметра измерительного капилляра увеличивается измерительный диапазон, т.е. увеличивается чувствительность индикатора, однако затрудняется визуальный контроль. Экспериментально найдено, что оптимальный диаметр измерительного капилляра составляет 1-3 мм.

Селективность обратноосмотической мембраны выбирается из условий, с одной стороны, исключения диффузии растворенных солей из камеры исходной воды через полупроницаемую мембрану в камеру очищенной воды, а, с другой стороны, скорости выхода индикатора на рабочий режим. При низкой селективности мембраны скорость выхода индикатора на рабочий режим увеличивается, но при этом скорость диффузии растворенных солей из камеры исходной воды сравнивается со скоростью осмотического переноса воды из камеры очищенной воды в камеру исходной воды и, таким образом, вносит значительную погрешность в показания индикатора. При более высокой селективности мембраны процесс диффузии растворенных солей из исходной воды в очищенную становится относительно мал по сравнению с осмотическим переносом воды из камеры очищенной воды в камеру исходной или вообще исключается, т. е. вносимая погрешность не влияет на оценку качества очистки воды. Но одновременно уменьшается скорость выхода индикатора на рабочий режим.

Экспериментально найдено, что обратноосмотическая мембрана должна иметь селективность по 0,15% NaCl не менее 95% Полученные результаты опытов приведены в таблице 1.

В описании и в тексте (см. чертеж) приняты следующие обозначения: 1 камера исходной воды; 2 камера очищенной воды; 3 полупроницаемая мембрана; 4 измерительный капилляр; 5 расширитель; 6 вентиль на линии исходной воды; 7 вентиль на линии очищенной воды.

Индикатор качества очистки воды содержит камеру исходной воды 1, камеру очищенной воды 2, разделенные полупроницаемой мембраной 3. Камера исходной воды 1 при помощи вентиля 6 соединена с системой подачи исходной воды, а камера очищенной воды 2 при помощи вентиля 7 соединена с системой подачи очищенной воды. К камере очищенной воды 2 присоединен измерительный капилляр 4, в нижней части которого выполнен расширитель 5.

Индикатор качества очистки воды работает следующим образом.

Исходную воду по трубопроводу при открытом вентиле 7 подают в камеру исходной воды 1 при небольшой скорости для промывки рабочей поверхности мембраны 3 и стенок камеры 1. Очищенная вода по трубопроводу через вентиль 6 поступает в камеру очищенной воды 2, расширитель 5 и измерительный капилляр 4, промывая внутреннюю полость камеры очищенной воды 2. После промывки и заполнения обеих камер 1 и 2 вентили 6 и 7 перекрывают.

Измерительный капилляр 4 с расширителем 5 имеет шкалу, разделенную на красную и зеленую зоны, для осуществления визуального контроля.

В качестве полупроницаемой мембраны 3 выбрана обратноосмотическая мембрана на основе ацетатцеллюлозы марки МГА-100 селективностью 96% В результате наличия разности концентраций растворенных солей в исходной и очищенной воде происходит осмотический перенос воды из камеры очищенной воды 2 через мембрану 3 в камеру исходной воды 1. При этом происходит понижение уровня воды в измерительном капилляре 4. По истечении 2 часов скорость осмотического переноса падает, соответственно падает скорость изменения уровня воды в измерительном капилляре 4, достигая своего минимального значения. Нахождение уровня воды в измерительном капилляре 4 в красной зоне указывает на низкое качество очистки воды, а в зеленой на требуемое качество очистки воды.

Предлагаемый индикатор качества очистки воды изготовлен и испытан в лабораторных условиях.

Испытания индикатора качества очистки воды показали простоту и надежность прибора, его высокую чувствительность, особенно в условиях малой разности концентраций (табл. 1). Кроме того, стоимость индикатора в 2-3 раза меньше аналогичных серийно выпускаемых приборов, предназначенных для измерения концентрации растворенных солей; в частности кондуктометров.

Литература 1. Пат. США N 4885081, C 02 F 1/44, 1989.

2. Analysing and monitoring water supplies//Water and Waste Treat (Gr. Brit.), 1991, 34, N 7, c.59.

3. Т.Брок "Мембранная фильтрация", г. Москва, "Мир"б 1987 г. стр. 348-349. прототип.

Формула изобретения

1. Индикатор качества очистки воды, содержащий камеру очищенной воды и камеру исходной воды, соединенные с атмосферой и разделенные полупроницаемой мембраной, отличающийся тем, что камера очищенной воды соединена с измерительным капилляром, в нижней части которого выполнен расширитель, и при помощи вентиля соединена с системой подачи очищенной воды, камера исходной воды при помощи вентиля соединена с системой подачи исходной воды, при этом объем камеры исходной воды превышает суммарный объем камеры очищенной воды и измерительного капилляра с расширителем в 3 10 раз, суммарный объем измерительного капилляра с расширителем превышает объем камеры очищенной воды в 1 5 раз, причем объем расширителя в 25 50 раз превышает объем измерительного капилляра, а диаметр измерительного капилляра составляет 1 3 мм.

2. Индикатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроницаемой мембраны использована обратноосмотическая мембрана с селективностью не менее 95% по 0,15%-ному раствору NaCl.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6