Способ термоумягчения и обогащения воды микроэлементами

 

Изобретение относится к термическому умягчению воды и может быть использовано при переработке природных вод, в частности, для приготовления питьевой воды. Способ реализуется путем использования для умягчения воды щелочи, образующейся при интенсивном кипячении воды вследствие удаления с парами воды углекислоты и кислорода. Необходимость сохранения кристаллизующихся при высоком рН солей жесткости обеспечивается введением в воду реагента-фиксатора, например смеси ионов железа и алюминия, или титана, или оксида кремния. Ионы получаются при растворении пластин насадочного блока агрессивной углекислотой и кислородом, удаляемых из воды при кипячении. Присутствие в насадочном блоке или в отдельном блоке обогащения пластин из золота, серебра и меди позволяет также обогатить воду и этими микроэлементами. Способ обеспечивает снижение энергетических издержек, упрощение аппаратурного оформления и удешевление технологии. 10 з.п.ф-лы, 2 ил., 9 табл.

Изобретение относится к термической очистке, умягчению соленых вод и может быть использовано при переработке природных вод, а также для доработки холодной воды в части обогащения ее недостающими компонентами и микроэлементами.

Классические способы умягчения воды связаны, как правило, с применением щелочи, которая переводит соли жесткости в осадок, удаляемый из системы /Г. Я. Лукин, Н.Н. Колесник. "Опреснительные установки промыслового флота". М., 1970, с. 201/.

Применение реагентов можно исключить, если производить общеизвестное термоопреснение-дистилляцию солесодержащей воды.

Недостатки способа - высокие энергетические затраты, большие потери воды с рассолом, а также экологические издержки, связанные со сбросом рассола и засолением водоемов и земель /В.А. Клячко, И.Э. Апельцын. Подготовка воды для промышленного и городского водоснабжения. М., "ГСИ", 1962, с.580/.

Отмеченные недостатки можно исключить, если умягчать воду по патенту 2115630, кл. 5 С 02 F 5/08, 1998, авторы - Л.И. Баркар и др. - прототип. В соответствии с этим способом умягчение воды ведут путем введения реагента с последующим кипячением, причем в качестве реагента используют смесь ионов Al/III/ и Fe/III/, полученную электролитическим растворением алюминиевых и железных электродов. Кипячение осуществляют в течение 1-20 мин. Образующиеся при кипячении пары, а также растворенную в воде СО₂ удаляют. При этом рН воды вырастает до 10-12, при котором необратимо поглощаются соли жесткости и соли тяжелых металлов гидроксидами Аl и Fe.

Данный способ оправдан при подготовке котловой воды с остаточной жесткостью 0,02/мг-экв/л/.

Однако при подготовке воды питьевого качества с жесткостью до 7/мг-экв/л/ представляется довольно сложным применение электрокоагуляторов, тянущих за собой выпрямители, трансформаторы и необходимость квалифицированного обслуживания. Кроме того, в указанном способе не решены проблемы обогащения питьевой воды жизненно необходимыми микроэлементами, например Zn, Mn, J, Аg, Аи, Со, Вr, В и другими.

Эти факторы существенны при эксплуатации бытовой установки водоподготовки.

Кроме того, примененный в заявке реагент - алюминий образует канцерогенные соединения, в связи с чем во многих странах резко снижена ПДК на алюминий и введен запрет на использование алюминия в детских учреждениях и в медицинских приборах (И. М. Соломенцева, Л.А. Величанская, И.Г. Герасименко "Проблема остаточного алюминия в очищенной воде", в журнале "Химия и технология воды", 6, 1991, с. 518).

Целью настоящего изобретения является создание простой, экономичной и экологически чистой бытовой установки водоподготовки, комплексно решающей проблему умягчения, обогащения, очистки и обеззараживания воды из любого источника.

Предлагаемый способ, как и прототип, основан на щелочном умягчении воды, однако щелочь получена за счет внутренних резервов термотехнологии. При кипячении воды вместе с парами воды удаляется растворенный воздух и углекислота, определяющая рН воды.

При этом рН поднимается до 10-12, т.е. резко вырастает щелочность и создаются условия для полного гидролиза Al и Fе с образованием гидроксидов, которые являются высокоэффективными сорбентами солей жесткости, а также солей тяжелых металлов и органики, т.к. образуются двойные коллекторы СаСO₃ и гидроксидов алюминия и железа (А.К. Запольский, А.А. Баран "Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды". Л.: "Химия", с. 28, 31), а также (Н.Я. Гудзь, В.И. Максин "Карбонаты щелочноземельных металлов и магния в процессах водоочистки", в журнале "Химия и технология воды," 1991, 5, с. 431). В щелочной среде также облегчаются условия связывания и выделения кальция по общеизвестным уравнениям: СО₂+ОН^-=НСО₃ ^- НСО₃ ^-+ОН^-=CО₃ ^2-+Н₂О Микрокристаллы СаСО₃ укрупняются коагулянтом и выпадают в осадок. Как отмечено в прототипе, осадок не "слеживается" и не образует накипи. Рыхлый слой осадка на поверхностях легко удаляется. Существенное отличие предлагаемого способа от прототипа заключается прежде всего в том, что смесь ионов для сорбции и коагуляции получают не в электрокоагуляторе, а растворением насадки, например пластин алюминия и железа, агрессивной углекислотой и кислородом, удаляемых из воды при интенсивном кипячении. В данном случае применен изобретательский принцип: "сделай недостаток преимуществом". В современных котельных трубки и стенки котла предохраняют от растворения путем предварительного удаления из воды в деаэраторе агрессивных газов - углекислоты и кислорода.

В предлагаемом способе деаэрируемые газы растворяют пластины насадки, обеспечивая получение смеси ионов для термоумягчения и обогащения воды микроэлементами (МЭ).

Как и в прототипе, целесообразно использование смеси ионов железа и алюминия, т. к. при раздельном применении только железа вода окрашивается в оранжевый цвет, а только алюминия недопустимо из-за медицинских соображений.

По тем же медицинским и экологическим соображениям целесообразно заменить алюминий на насадку из пластин титана, более дорогого, но экологически чистого. Титан разрешен к применению Минздравом РСФСР от 20.09.88 г. за 08П-11- 473-474.

Аппарат можно удешевить, если насадку хотя бы частично выполнить из пластин стекла, на поверхности которых находятся нескомпенсированные анионы SiO₂ ^-, которые поглощают катионы жесткостей и примесей по принципу гетероадагуляции. Полностью исключать титан не следует, т.к. его комплексы необходимы для удаления соосождением солей тяжелых металлов, органики и других примесей.

При растворении стекла вода обогащается ионами SiO₂ ^-, которые обеспечивают эластичность сосудов, предотвращают образование камней в желчном пузыре, почках и необходимы для профилактики полиартрита, ревматизма, остеохондроза (Н. А. Семенова. "Внутренний свет", "СДС", С-Пб., 1997, с. 35).

Растворимость стекла в воде, хотя и минимальная, позволяет обогатить воду любым МЭ: для этого в шихту для изготовления стекла необходимо ввести, например, кобальт, цинк, йод, фтор, бром, бор и другие компоненты. Подобная технология испытана на "фриттах", когда стекло с МЭ превращается в порошок и разбрасывается как удобрение в поле (О.К. Добровольская "Чудесные миллиграммы". М., "МГ", 1962, с.74).

В условиях интенсивного кипячения в среде агрессивных углекислоты и кислорода дробление стекла можно исключить.

В комплект насадки целесообразно ввести пластины из золота и серебра, которые наряду с эффектом умягчения дают дополнительные эффекты. Серебро обеспечивает обеззараживание и консервацию воды, а также профилактику болезней мозга, глаз, зубов, костей, печени, желудка, кишечника. Золото стимулирует работу центральной нервной системы. Учитывая высокую стоимость серебра и золота, нецелесообразно использовать их для получения эффекта умягчения.

Пластины золота и серебра следует вводить в воду после прекращения кипячения и сброса осадка.

Для получения достаточного количества ионов на умягчение или на обогащение кипячение осуществляют в течение 1-30 мин при удалении образующихся паров и газов, в частности, углекислоты и кислорода.

Количество пластин и размеры насадки, суть удельная поверхность насадки, определяется количеством удаляемых солей жесткости и необходимой степенью обогащения воды МЭ.

После прекращения кипячения производят отстой и сброс осадка.

На фиг. 1 представлена схема термофильтра - бытовой установки водоподготовки, на которой реализован заявляемый способ.

Термофильтр включает емкость-кипятильник 1 с нагревом газовой горелкой 2. Внутри емкости установлен блок насадочных пластин 3, в который могут входить пластины из алюминия и железа или титана и стекла, а также золота и серебра.

В состав шихты стеклянных пластин может включаться, например, кобальт, цинк, йод, фтор, бром и другие МЭ.

Пластины подвешены на оси 4 с дистанционным зазором, определяемым втулками 5, и зафиксированы гайками 6. Блок 3 крепится кронштейнами 7 и винтами 8 к съемной крышке 9. На крышке и корпусе имеются отверстия 10 для выхода пара и газа.

В нижней части емкости-кипятильника имеется устройство для сброса осадка 11 с краном 12, а также кран 13 для забора чистой воды.

Заявляемый способ реализуют на описанной установке следующим образом. Снимают крышку 9 вместе с блоком насадки 3 и заливают подлежащую очистке исходную воду в корпус емкости 1.

Предварительно сделаны анализы исходной воды и выявлены избыточные сверх ПДК соли жесткости, соли тяжелых металлов, фенол и органика, а также недостающие МЭ.

В соответствии с результатами анализов и результатами экспериментов комплектуют блок насадки 3 пластинами алюминия и железа, или титана и стекла, а также золота и серебра. Вставляют блок З вместе с крышкой 9 в емкость 1, совместив при этом отверстия 10 в крышке и корпусе. Ставят емкость 1 на газовую плиту, включают горелку 2 и ожидают начала закипания воды по появлению паров в отверстиях 10. В зависимости от состава воды и характера кипения устанавливают время кипячения от 1 до 30 мин. При кипячении воды в раствор из насадки 3 выделяются ионы сорбента и коагулянта, полученные при растворении пластин насадки агрессивной углекислотой и кислородом, удаляемых при кипячении. Эти ионы в образовавшейся вследствие удаления газов щелочной среде образуют гидроксиды, которые реагируют с солями жесткости, солями тяжелых металлов, органикой, нитратами, фосфатами и соосождают их на дно емкости 1 в виде осадка. Часть катионов оседает на поверхности стеклянных пластин насадки 3 за счет сорбции их анионами SiО₂. Интенсивное кипячение обеззараживает воду, причем этот способ предпочтительней хлорирования, при котором возникают хлорпроизводные канцерогенные вещества. Дополнительный аффект обеззараживания и консервации воды дают ионы серебра, причем высокая температура кипящей воды позволяет резко сократить дозировку серебра для обеззараживания и приблизить ее к допускаемой санитарной норме в 0,05(мг/л) (Л.А. Кульский "Теоретические основы и технология кондиционирования воды", Киев, "Hayкова думка", 1971, с. 296).

При кипячении по предлагаемому способу в пары уходит не более 2% воды, чем предлагаемый способ выгодно отличается от дистилляции, где выпаривается, а затем конденсируется почти вся вода.

Время осаждения составляет 1 ч, после чего открывается кран 12 и сбрасывается осадок, количество которого указывается в инструкции по эксплуатации. Для экономии серебра и золота эти пластины вводят после сброса осадка. Забор чистой воды производят краном 13. В термофильтре (фиг.1) отсутствуют узлы и детали, подлежащие замене. Периодически необходима механическая очистка корпуса и насадки от осадка. Ресурс работы аппарата практически неограничен, В термофильтре (фиг.1) выполнены технологические эксперименты. Результаты исследований представлены в нижеприведенных примерах.

Пример 1.

Исследовали эффективность умягчения воды при кипячении в термофильтре по фиг.1. Насадка не вводилась. Оценивалось влияние растворения металла корпуса на связывание солей жесткости. Удельная поверхность корпуса, т.е. отношение поверхности корпуса к объему обрабатываемой воды q=20 (м²/м³). Полный объем емкости - 12 л. Объем заливки воды - 10 л. Вода Краснодарская, водопроводная, исходная жесткость 6,3 (мг-экв/л).

Кипячение производилось на бытовой газовой плите типа "Брест-1457", горелка - диаметр 65 мм, огонь - максимальный. Время кипячения - 30 мин. Анализировалась жесткость Ж исходной воды и жесткость через 10, 20 и 30 мин кипячения - τ_КИП. Результаты анализа представлены в табл. 1 и на кривой 1 фиг.2.

Жесткость воды за 30 мин кипячения снизилась на 2,2 единицы или на 35%.

Пример 2.

Условия по примеру 1. В исходную воду введен насадочный блок с пластинами алюминия. Удельная поверхность пластин составляет q=10(м²/м³). Результаты анализа представлены в табл.2 и на кривой 3 фиг.2.

Жесткость воды за 30 мин кипячения снизилась на 3,9 единицы или в 2,6 раза.

Пример 3.

Условия по примеру 1. В исходную воду введен насадочный блок с пластинами из алюминия и железа. Общая удельная поверхность пластин составляет q= 10(м²/м³ ), в том числе: алюминий - 6(м²/м³ ), железо - 4(м²/м³). Результаты анализа представлены в табл.3 и на кривой 5 фиг.2.

Жесткость воды за 30 мин кипячения снизилась на 4,3 единицы или в 3,15 раза.

Пример 4.

Условия по примеру 1. В исходную воду введен насадочный блок с пластинами из титана. Удельная поверхность пластин составляет 10(м²/м³). Результаты анализа представлены в табл.4 и на кривой 2 фиг.2.

Жесткость воды за 30 мин кипячения снизилась на 3,0 единицы или в 1,9 раза. По сравнению с насадкой из алюминия эффект умягчения снизился на 0,9 единицы, но достаточно высок, учитывая, что титан предпочтительней по медицинским соображениям.

Пример 5.

Условия по примеру 1. В исходную воду введен насадочный блок с пластинами стекла, несущими на своей поверхности анионы SiO₂ ^-.

Удельная поверхность пластин составляет 10(м²/м³). Результаты анализа представлены в табл. 5 и на кривой 4 фиг.2.

Жесткость воды за 30 мин кипячения снизилась на 4 единицы или в 2,74 раза. Концентрация кремния в воде после термообработки составила 0,5(мг/л), что значительно ниже ПДК=2,5(мг/л).

По сравнению с насадкой из алюминия эффект практически одинаков. Однако учитывая, что пластины из стекла не изнашиваются, что они значительно дешевле алюминиевых, не имеют медицинских противопоказаний и обогащают воду кремнием, предпочтение следует отдать пластинам из стекла.

Пример 6.

Условия по примеру 1. В исходную воду введен насадочный блок с 6 пластинами из титана аналогично примеру 4. В зазорах между титановыми пластинами размещено 5 стеклянных пластин так, что размер блока остался неизменным - смотри фиг.1. Суммарная удельная поверхность пластин составила 15(м²/м³), в том числе титан - 10(м²/м³) и стекло - 5(м²/м³).

Результаты анализа представлены в табл.6 и на кривой 6 фиг.2.

Жесткость воды за 30 мин кипячения снизилась на 4,6 единицы или в 3,7 раза. Концентрация кремния в воде после термообработки составила 0,3(мг/л). По сравнению с насадкой из алюминия и железа получен эффект умягчения в 1,17 раза. Предпочтение следует отдать пластинам из стекла и титана, как более чистым в медицинском и экологическом отношении и позволяющим обогатить воду кремнием.

Пример 7.

Условия по примеру 6. Дополнительно в насадочный блок из пластин - стекла и титана введена пластина серебра. Суммарная удельная поверхность пластин составила 15,25(м²/м³), в том числе: титан - 10(м²/м³), стекло - 5(м²/м³), серебро - 0,25(м²/м³). Результаты анализа представлены в табл.7 и на кривой 7 фиг.2. Концентрация серебра в воде составила 0,01(мг/л) при ПДК= 0,05(мг/л).

Конечная жесткость воды по сравнению с базовым опытом по примеру 6 практически неизменилась. Эффект дополнительного умягчения получен при τ_КИП. = 10 и 20 мин, что позволит значительно снизить время кипячения. Эффект обогащения воды серебром недостаточен почти все серебро ушло на умягчение и выпало в осадок.

Пример 8.

Условия по примеру 7. Дополнительно в насадочный блок введена пластина золота с удельной поверхностью 0,14(м²/м³). Суммарная удельная поверхность составила 15,39(м²/м³). Результаты анализа представлены в табл. 8 и на кривой 6 фиг.2.

Концентрация серебра в воде составила по-прежнему 0,01(мг/л). Концентрация золота в воде составила 0,003(мг/л).

Конечная жесткость воды по сравнению с базовыми опытами 8 и 7 практически неизменились. Как и для случая серебра, дополнительный эффект умягчения получен при τ_КИП. = 10 и 20 мин, что позволит снизить время кипячения. Эффект обогащения воды серебром и золотом недостаточен - почти весь благородный металл ушел на умягчение и выпал в осадок.

Пример 9.

Условия по примеру 6. Через 30 мин после окончания кипячения и сброса осадка, в воду введен блок обогащения МЭ, включающий пластину из золота, пластину из серебра, пластину из меди и пластину из стекла. Через два часа обогащения была взята проба воды и сделан анализ. Содержание золота составило 0,015(мг/л), серебра - 0,04(мг/л), меди - 0,5(мг/д), кремния - 2,0(мг/л).

Удельная поверхность пластин в блоке обогащения составляла: золота - 0,14(м²/м³), серебро - 0,25(м²/м³), медь - 3,0(м²/м³), кремний - 3,33(м²/м³).

Жесткость воды по сравнению с базовым примером практически не изменилась. Концентрация МЭ резко увеличилась по сравнению с опытами 7 и 8, но находится в пределах ПДК.

Пример 10.

Условия по примеру 6. После окончания кипячения каждые 10 мин отбиралась проба и оценивалась на прозрачность по шрифту в соответствии с ГОСТ 3351-46 "Вода хозяйственно-питьевая. Методы определения физических свойств". Результаты исследования кинетики осаждения представлены в табл. 9.

Из анализа таблицы следует, что уже через 20 мин после начала осаждения вода по прозрачности достигла требуемых ГОСТом значений. На основании анализа результатов многочисленных экспериментов, основные из которых приведены выше, были сделаны выводы об эффективности предлагаемого способа термоумягчения и обогащения воды микроэлементами. Изготовлена опытная партия бытовых установок "термофильтр" модели ТФГ-10. По договору с АО "Югтрансгаз" г. Саратов планируется изготовление серии из 200 аппаратов.

Формула изобретения

1. Способ термоумягчения и обогащения микроэлементами воды, в которой кислотная часть равновесного баланса регулируется СО₂ и О₂, путем введения реагента с последующим кипячением, отличающийся тем, что в качестве реагента используют смесь ионов, полученную растворением насадки агрессивной углекислотой и кислородом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что насадка выполнена из пластин алюминия и железа.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что насадка выполнена из пластин титана.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что насадка выполнена из пластин стекла.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что шихта для изготовления стекла включает микроэлементы, например кобальт, цинк, фтор, бром, бор, и другие.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что насадка выполнена из пластин золота, серебра и меди.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что кипячение осуществляют в течение 1-30 мин.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что кипячение ведут при удалении образующихся паров и газов, в частности, углекислоты и кислорода.

9. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что удельная поверхность насадки определяется количеством удаляемых солей жесткости.

10. Способ по п. 5, отличающийся тем, что удельная поверхность насадки определяется необходимой степенью обогащения воды микроэлементами.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что после прекращения кипячения в течение 0,5-1,0 ч производят отстой с последующим сбросом осадка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11