Реактор и способ очистки воды

 

Изобретение относится к процессам подготовки воды для питьевого и технического водоснабжения, очистки сточных вод, обеззараживания и активации воды. Основной технической задачей изобретения является снижение энергозатрат. Реактор состоит из корпуса, в верхней части которого размещен узел создания водогазовой смеси, электродной системы, расположенной под узлом создания водогазовой смеси, и узла отвода водогазовой смеси, размещенного под электродной системой. Узел создания водогазовой смеси включает аэратор, эжектор, патрубки подвода воды и отвода воздуха и газов. К электродной системе подключен генератор высоковольтных импульсов. Обработку воды осуществляют барьерными разрядами при длительности положительных и (или) отрицательных высокочастотных импульсов не более 0,5·10^-6 с и отношении амплитуды импульсного напряжения к расстоянию между электродами в пределах (2-10)·10^-3 В/мм. Импульсы высокого напряжения подают с определенной частотой. Технический результат состоит в повышении эффективности отработки воды и снижении энергозатрат. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 2 табл., 2 ил.

Изобретение относится к процессам подготовки воды для питьевого и технического водоснабжения, очистки сточных вод, обеззараживания и активации воды. Изобретение может быть использовано для синтеза химических соединений, активации жидких и порошкообразных материалов, для очистки, обеззараживания и обработки различных поверхностей.

Известен способ очистки воды и устройство для его осуществления (патент РФ N 2004500, кл. С 02 F 1/46, В 03 С 5/00, опубл. 15.12.93, БИ N 45-46). Согласно этому способу воду обрабатывают высоковольтными импульсами напряжения при скорости нарастания напряжения не более 2·10⁶ В/с и скорости спада напряжения не менее 2·10⁴ В/с, при этом напряжение выбирают в пределах (7 - 30)·10³ В. Устройство для очистки воды включает камеру для обрабатываемой жидкости, высоковольтный источник энергии, высоковольтные и заземленные электроды. Высоковольтные электроды выполнены с боковыми выступами, направленными в одну сторону. С целью повышения скорости очистки путем создания интенсивной циркуляции воды в устройстве заземленный электрод выполнен секционированным с направленными в одну сторону выступами на боковой поверхности каждой секции.

Недостатками этого способа обработки воды являются высокие энергозатраты, связанные с большими потерями на джоулев нагрев при указанных временах воздействия импульсов напряжения, низкая частота следования импульсов 5 - 30 Гц, что снижает производительность обработки. Кроме того, обработке подвергается не вся вода, а только часть, прилегающая к каналу разряда, что снижает эффект обработки.

Недостатками устройства являются ограниченное число каналов разряда и, как следствие, обработке подвергается не вся вода, а только часть, прилегающая к каналам разряда, что снижает эффект обработки; низкий ресурс работы изоляции и электродов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым решениям является способ и устройство, описанные в статье: Рязанов Н.Д., Миненков В.Р. "Исследование эффективности обеззараживания и очистки воды плазмой дуги переменного тока в водовоздушной смеси" в сб. "Очистка воды и стоков". Томск, 1994, с. 19-23. Этот способ включает обработку воды в водовоздушной среде высоковольтными электрическими разрядами.

Недостатками данного способа являются: образование контрагированных искровых каналов и, как следствие, высокие удельные энергозатраты на обработку воды, а также низкая производительность из-за недостаточно большой зоны обработки, окружающей канал разряда, т.к. обработке подвергается не вся вода, а только часть, прилегающая к каналу разряда. Еще одним недостатком этого способа является увеличение концентрации азотных соединений (нитратов, нитритов).

Известный реактор для обработки воды состоит из корпуса, электродной системы, патрубков подачи и вывода воды, патрубок ввода размещен на крышке корпуса, патрубок вывода - на его днище, в верхней части корпуса расположена горизонтальная перфорированная перегородка, предназначенная для диспергирования потока воды.

Недостатком этого реактора является сложность устройства, высокие энергозатраты, низкий ресурс работы изоляции электродных систем и электродов.

Основной технической задачей, на решение которой направлены заявляемый способ и устройство, является улучшение качества получаемой воды за счет повышения эффективности обработки воды, позволяющей осветлять и очищать воду (до уровня требований ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая"), и снижение энергозатрат на процесс. Эффективность обработки воды электрическими разрядами определяется размерами зоны, занимаемой каналами электрических разрядов в сравнении с объемами обрабатываемой воды, интенсивностью ультрафиолетового излучения, концентрацией озона и других активных частиц, образующихся в разряде. При обработке воды разрядами по методу, предлагаемому в прототипе, вода подвергается воздействию искровых разрядов, возникающих между двумя металлическими электродами. Таких пар электродов может быть установлено несколько. Для расширения зоны, занимаемой разрядами, вода подается в межэлектродный промежуток в виде струй и капель, формируемых специальной перегородкой с отверстиями. В этом случае канал разряда разбивается на несколько частей, горящих в газовых зазорах между струями воды и вдоль струи в местах ее разрыва. И хотя такое решение позволяет существенно расширить зону, занимаемую разрядом, она все равно остается достаточно ограниченной. Поскольку вода остается жидкостью, хорошо проводящей электрический ток, и защитить изоляцию, расположенную в реакторе, от воздействия воды не представляется возможным, ресурс работы этой изоляции остается по-прежнему низким и сохраняются значительные потери энергии, связанные с утечками по воде и влажным поверхностям. Затраты электроэнергии на обработку воды в прототипе в лучшем случае составляют 0,12 кВт·ч/м³. В предлагаемом нами техническом решении параметры импульса электрической энергии, подводимого к электродной системе, выбраны так, что проводимость воды в этих условиях резко снижается, вода становится жидкостью, плохо проводящей электрический ток. Это приводит к тому, что снижаются потери, связанные с проводимостью воды, и резко увеличивается ресурс работы изоляции. В предлагаемой конструкции электродной системы возникает барьерный разряд, состоящий из множества микроразрядов, развивающихся на поверхности капель и струй воды. Разряд становится практически объемным. Причем обработке подвергается весь поток воды, каждая капля и каждый элемент любой струи. Это приводит к тому, что по сравнению с прототипом повышается эффективность обработки воды и более чем в 2 раза снижаются энергозатраты на обработку воды.

Указанная техническая задача достигается тем, что в реакторе для обработки воды, включающем корпус, в верхней части которого размещен узел создания водогазовой смеси, электродную систему, расположенную под узлом создания водогазовой смеси, узел отвода водогазовой смеси, расположенный под электродной системой, а также патрубки для подвода и вывода воды, согласно изобретению электродная система выполнена в виде двух гребенок, электроды одной из них расположены на расстоянии 1-15 мм от электродов другой, причем электроды снабжены электрическими барьерами.

Целесообразно электрические барьеры выполнять из твердого электроизоляционного материала, например стекол, керамики или жидкости, например воды, масел.

Кроме того, толщина электрического барьера должна быть не более 0,5 от расстояния между электродами.

Электрический барьер целесообразно располагать от электрода на расстоянии не более 0,5S-d, где S - расстояние между электродами, мм, d - толщина электрического барьера, мм.

Целесообразно выполнять электрические барьеры из кварцевых трубок, запаянных с одного конца и надетых на стержневые электроды.

Целесообразно узел создания водогазовой смеси снабжать аэратором и (или) эжектором.

Целесообразно узел отвода водогазовой смеси снабжать эжектором.

Целесообразно также электродные системы выполнять в виде двух гребенок, содержащих по крайней мере по одному электроду.

Также для достижения указанной технической задачи в способе обработки воды, включающем обработку водогазовой смеси электрическими разрядами, согласно изобретению обработку водогазовой смеси осуществляют барьерными разрядами при длительности положительного и (или) отрицательного импульса t_и не более 0,5·10^-6 с с крутизной фронта импульса не менее 10⁹ В/с и отношением амплитуды напряжения импульса к расстоянию между электродами в пределах (2 - 10)·10³ В/мм.

Целесообразно импульсы высокого напряжения подавать с частотой не менее 50 имп./с, выбираемой из условия f≥50 v/h, где v - скорость потока водогазовой смеси в зоне расположения электродов, м/с, h - рабочая высота электродной системы, м.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественные всем признакам заявленного реактора для обработки воды и способа обработки воды, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками каждого заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявленных изобретений преобразований на достижение технического результата. Следовательно, каждое из заявленных изобретений соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения, поскольку и устройство и способ предназначены для очистки воды. Заявленные изобретения решают одну и ту же задачу - повышение эффективности обработки воды и снижение энергозатрат.

На фиг. 1 изображен реактор для обработки воды; на фиг. 2 - электродная система реактора.

Реактор состоит из корпуса 1, в верхней части которого размещен узел создания водогазовой смеси 2, электродной системы 3, расположенной под узлом создания водогазовой смеси 2 и узла отвода водогазовой смеси 4, размещенного под электродной системой 3. Узел создания водогазовой смеси 2 включает аэратор 5, эжектор 6, патрубки подвода воды 7 и отвода воздуха и газов 8. Аэратор 5 соединен с вентилятором 9. Узел отвода водогазовой смеси 4 включает камеру дореагирования 10, на выходе которой установлен эжектор 11 и выходной патрубок 12. К электродной системе 3 подключен генератор высоковольтных импульсов 13.

Реактор работает следующим образом. Обрабатываемая вода подводится к эжектору 6, распыляется на капли и смешивается с воздухом. Образовавшийся водовоздушный поток поступает в аэратор 5, где дополнительно смешивается с воздухом, подаваемым в аэратор 5 вентилятором 9. Вода стекает по решеткам аэратора сверху вниз, а воздух подается снизу вверх. Это обеспечивает лучшее перемешивание воды с кислородом воздуха. При этом окисляются легкоокисляемые примеси (например, частично окисляются Fe, Mn), происходит удаление сероводорода, углекислого газа, метана и других газов, улучшаются органолептические показатели воды. Подготовленный таким образом водовоздушный поток попадает в зону расположения электродов 3, где происходит его обработка электрическими разрядами с заданными параметрами. Питание на электроды подается от генератора высоковольтных импульсов 13. В зоне разрядов, на поверхности капель и струй, производится озон, ультрафиолетовое излучение, множество активных частиц. Все это способствует более глубокому окислению примесей, разложению некоторых органических соединений (фенол, метанол, ... ) до CO₂ и воды, обеззараживанию воды. Полностью удаляются запахи, вода становится прозрачной и приобретает приятный вкус. Вода, обработанная электрическими разрядами, поступает в камеру дореагирования 10. Камера дореагирования аналогично аэратору 5 заполнена решетками (хордовыми насадками) для увеличения времени контакта и лучшего перемешивания воды с озоном. Железо, окисленное в системе аэрации, проходя через электродную систему 3, активируется и приобретает свойства высокоэффективного адсорбента, на котором сорбируются многие загрязнения. Впоследствии эти загрязнения вместе с железом легко улавливаются фильтром. Для дополнительного перемешивания воды с озоном, усиления коагуляции окисленных загрязнений на выходе из камеры дореагирования установлен эжектор 11. Далее обработанная описанным способом вода через выходной патрубок 12 поступает в систему фильтрации для осветления.

На фиг. 2 показан вариант устройства электродной системы 3. Электродная система выполнена из нескольких электродов 14, собранных в виде двух гребенок 15, 16. Электроды одной гребенки 15 соединены с генератором высоковольтных импульсов 13, а электроды другой 16 - заземлены. На электроды были надеты электроизоляционные барьеры 17 в виде трубок из кварцевого стекла. В гребенках электроды могут занимать горизонтальное или вертикальное положение и располагаться на одном (как на фиг. 2) или нескольких уровнях по вертикали. Расстояние между высоковольтными и заземленными электродами устанавливается в пределах 1-15 мм. При межэлектродных промежутках меньших 1 мм усложняется конструкция электродной системы, снижается надежность ее работы и падает производительность реактора. При промежутках более 15 мм требуются рабочие напряжения выше 50·10³ В, что усложняет конструкцию электродной системы, снижается надежность работы оборудования. Кроме того, увеличивается толщина обрабатываемого слоя воды, что приводит к снижению эффективности обработки. Оптимальным является расстояние между электродами 4-10 мм. Электроды могут иметь раазличную форму. Опытным путем установлено, что наиболее эффективны цилиндрические и пластинчатые (плоские) электроды. Все электроды снабжены электрическими барьерами. Барьер представляет собой слой электроизоляционного материала определенной толщины d, нанесенный на поверхность электрода, либо расположенный на некотором расстоянии 1 от поверхности электрода. Толщина барьера определяет проходное сечение электродной системы, от которого зависит производительность реактора, и исходя из этих соображений толщина барьера должна быть минимальной. Однако надежность работы электродной системы требует обеспечения механической и электрической прочности барьера, что приводит к увеличению толщины барьера. В реальных условиях толщина барьера подбирается экспериментально, но в любом случае она будет меньше половины межэлектродного расстояния. Расстояние между барьером и электродом должно быть минимально возможным. Однако в любых условиях это расстояние должно быть меньше 0,5S-d, где S - межэлектродное расстояние, мм, d - толщина электрического барьера, мм.

В реакторе для обработки воды по предлагаемому способу обрабатывали воду, содержащую различные загрязнения. Реактор имел габаритные размеры в поперечном сечении 400 х 500 мм. Высота реактора 3500 мм. Электродная система была изготовлена из нержавеющей проволоки диаметром 1,5 мм. Расстояние между электродами составляло 7 мм. На электроды были надеты электроизоляционные барьеры в виде трубок из кварцевого стекла. Наружный диаметр трубок 5 мм, толщина стенки 1,5 мм. Расстояние между барьером и электродом было в пределах 0 - 0,25 мм. Электроды располагались на двух уровнях по вертикали, в каждом уровне было установлено по 41 электроду. Высота электродной системы h равнялась 50 мм. Скорость движения воды в районе электродов около 1 м/с. Условия обработки были следующие. Обработке подвергали воду, содержащую кишечную палочку до концентраций 10⁵ клеток/л, фенол в количестве 0,2 мг/л, трихлорэтилен в количестве 0,03 мг/л, марганец в количестве 0,25 мг/л, свинец в количестве 0,1 мг/л, медь в количестве 2,0 мг/л, алюминий в количестве 2,5 мг/л. На обработку подавалось 10 м³ воды в час. На электроды подавались импульсы напряжения с различной амплитудой, длительностью и частотой следования. При этом крутизна фронта импульса была не менее 10⁹ В/с. При меньшей крутизне фронта импульса резко увеличиваются затраты электроэнергии, связанные с высокой проводимостью воды. При отношении амплитуды импульсного напряжения к расстоянию между электродами меньше 2·10³ В/мм разряд между электродами не зажигается, и вода не обрабатывается. А при отношении амплитуды импульсного напряжения к расстоянию между электродами больше 10·10³ В/мм усложняется устройство генератора и передающей линии. Снижается надежность работы оборудования и увеличивается энергопотребление.

Обработанная вода подавалась на фильтр с песчано-гравийной загрузкой, где осветлялась. На анализы отбирались пробы обработанной воды после реактора и пробы осветленной воды после фильтра. Полученные данные приведены в табл. 1 и 2.

В табл. 1 приведены результаты, полученные при частоте следования высоковольтных импульсов, равной 1000 имп./с. Частота выбиралась из условия f ≥ 50 v/h, где v - скорость потока водогазовой смеси в районе расположения электродов, v = 1 м/с, h - высота электродной системы, h = 50 мм. Тогда f = 1000 имп./с.

Из табл. 1 видно, что при длительности высоковольтных импульсов не более 0,5·10^-6 с энергозатраты на обработку воды уменьшаются и эффективность очистки воды по основным компонентам улучшается.

В табл. 2 приведены результаты по содержанию примесей (мг/л) в обработанной воде в зависимости от частоты следования импульсов при длительности импульсов t_и = 0,2·10^-6 с.

Из табл. 2 следует, что содержание примесей в обработанной воде уменьшается при частоте следования импульсов не менее 50 имп./с.

Формула изобретения

1. Реактор для обработки воды, включающий корпус, в верхней части которого размещен узел создания водогазовой смеси, электродную систему, расположенную под узлом создания водогазовой смеси, узел отвода водогазовой смеси, расположенный под электродной системой, а также патрубки для подвода и вывода воды, отличающийся тем, что электродная система выполнена в виде двух гребенок, электроды одной из них расположены на расстоянии 1 - 15 мм от электродов другой, причем электроды снабжены электрическими барьерами.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что электрические барьеры выполнены из твердого электроизоляционного материала, например керамики, стекол, или жидкости, например воды, масел.

3. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что толщина электрического барьера составляет не более 0,5 расстояния между электродами.

4. Реактор по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что барьер расположен от электрода на расстоянии не более 0,5 s - d, где s - расстояние между электродами, мм, d - толщина электрического барьера, мм.

5. Реактор по пп. 1, 2, 3 или 4, отличающийся тем, что электрические барьеры выполнены в виде кварцевых трубок, запаянных с одного конца и надетых на стержневые электроды.

6. Реактор по п.1, отличающийся тем, что узел создания водогазовой смеси снабжен аэратором и (или) эжектором.

7. Реактор по п.1 или 6, отличающийся тем, что узел отвода водогазовой смеси снабжен эжектором.

8. Реактор по п.1, отличающийся тем, что электродные системы выполнены в виде двух гребенок, содержащих по крайней мере по одному электроду.

9. Способ обработки воды, включающий обработку водогазовой смеси электрическими зарядами, отличающийся тем, что обработку водогазовой смеси осуществляют барьерными разрядами при длительности положительных и (или) отрицательных высоковольтных импульсов не более 0,5 · 10^-6с с крутизной фронта импульса не менее 10⁹ В/с и отношении амплитуды импульсного напряжения к расстоянию между электродами в пределах (2-10) · 10³ В/мм.

10. Способ обработки воды по п.9, отличающийся тем, что импульсы высокого напряжения подают с частотой f не менее 50 имп/с, выбираемой из условия f ≥ 50 v/h, где v - скорость потока водогазовой смеси между электродами электродной системы, м/с, h - рабочая высота электродной системы, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4