Способ очистки питьевой воды и бытовой комплект кувшинного типа для его осуществления
Изобретение относится к области водоподготовки, а более конкретно, - получения питьевой воды с высокими органолептическими показателями в условиях домашнего хозяйства, и может быть использовано для глубокой очистки водопроводной воды в бытовых условиях. Способ очистки питьевой воды бытовым комплектом кувшинного типа включает озонирование порции очищаемой воды и ее очистку в слое сорбента, в качестве которого используют активированный уголь в виде частиц и/или смесь этих частиц с ионообменной смолой. Озонирование порции воды осуществляют во время нахождения этой порции воды непосредственно в слое сорбента, при этом совместную очистку порции воды озоном и сорбентом осуществляют в статическом режиме нахождения этой воды в слое сорбента и в течение всего интервала времени до подачи в данный слой сорбента следующей порции воды. Способ осуществляют в бытовом комплекте кувшинного типа для очистки питьевой воды, который содержит контактную камеру с размещенным на ее днище распылителем озона, воронку, патрон, заполненный сорбентом и закрепленный ко дну воронки. Воронка с патроном вставлены в контактную камеру, снабженную сливным краном, при этом объем патрона, днище которого выполнено сетчатым, превышает объем воронки не менее чем в четыре раза. Технический результат изобретения - более рациональное использование озона, сорбента, объема водоочистителя кувшинного типа, возможностей кувшинного способа очистки и на основе этого создание нового более компактного, надежного и удобного в эксплуатации бытового комплекта кувшинного типа для очистки питьевой воды, который при неизменном общем объеме будет иметь более высокие ресурс работы, производительность и степень очистки воды, более низкую себестоимость единицы очищенной воды и будет способно сохранить глубину очистки воды при высокой исходной концентрации примесей. 2 н. и 3 з.п. ф–лы, 1 ил., 1 табл.
Техническое решение относится к области водоподготовки, а более конкретно - получения питьевой воды с высокими органолептическими показателями в условиях домашнего хозяйства, и может быть использовано для глубокой очистки водопроводной воды в бытовых условиях.
Известно, что бытовые водоочистители подразделяются на два типа: проточные и кувшинные (1). В настоящее время наибольшее распространение в условиях домашнего хозяйства получили бытовые водоочистители кувшинного типа, так как они являются более простыми и удобными в эксплуатации. Кроме того, они лучше удовлетворяют особенностям использования питьевой воды в бытовых условиях, когда вода требуется лишь эпизодически и определенными порциями.
Известен способ очистки питьевой воды и водоочиститель кувшинного типа для его осуществления, в которых порцию очищаемой воды пропускают через слой активированного угля в виде дробленых частиц, на поверхности пор которых осаждены частицы серебра (1). Водоочиститель содержит кувшин, вставленную в кувшин воронку, к днищу которой закреплен сменный патрон с активированным углем, импрегнированным серебром.
Однако осаждение частиц серебра на поверхности пор угля приводит лишь к дезинфекции воды, в то время как органолептические и другие показатели качества очищаемой воды практически не улучшаются. При этом повышается себестоимость угля, а в процессе очистки воды происходит постепенное ухудшение бактерицидного свойства сорбента и загрязненное питьевой воды частицами тяжелого металла - серебра. Кроме этого, время контакта очищаемой воды с сорбентом в этом водоочистителе не превышает одной минуты, что недостаточно для глубокой сорбционной очистки порции питьевой воды.
Наиболее близким к предлагаемому является способ очистки питьевой воды, в котором порция очищаемой воды подвергается предварительному озонированию в контактной камере и далее пропускается через слой активированного угля в виде дробленых или гранулированных частиц и/или смеси этих частиц с ионообменной смолой в водоочистителе кувшинного типа (2). Указанный способ реализован в бытовом комплекте кувшинного типа для очистки питьевой воды “Барьер”-“Озонид” (2). В этом бытовом комплекте, выбранном в качестве прототипа, порция очищаемой воды подвергается предварительному озонированию в контактной камере, представляющей собой емкость со съемной крышкой с патрубками для подвода и отвода озона, подключенными газоподводящими трубками к озонатору "Озонид" и распылителю озона, расположенному на днище контактной камеры. После озонирования порция воды пропускается через кувшинный водоочиститель "Барьер", содержащий кувшин, вставленную в кувшин воронку с закрепленным герметично и съемно ко дну этой воронки патроном, заполненным сорбентом. При предварительном озонировании очищаемой воды не только полностью уничтожаются микробы и вирусы, улучшаются практически все показатели качества питьевой воды, возвращается очищенной воде свежесть и вкус, характерные для чистых природных источников, но и увеличивается в несколько раз поглощающая способность угля. Преимуществом этого способа очистки воды является также неограниченный ресурс озонатора и минимальное потребление им электроэнергии. Поэтому сочетание предварительного озонирования очищаемой воды с ее последующей сорбционной очисткой на активированном угле признано лучшим в мире (2).
Способ очистки питьевой воды, выбранный в качестве прототипа, имеет следующие недостатки:
- использование озона является неэффективным из-за малого времени контакта (доли секунды) озоно-воздушных пузырьков с обрабатываемой средой;
- улучшение сорбционных свойств активированного угля под воздействием озона происходит в недостаточной степени. Рассмотрим сначала вкратце кинетику взаимодействия находящихся в среде очищаемой воды озона и примесей с частицами активированного угля в этой воде. Известно, что сорбция какого-либо вещества, - это процесс повышения концентрации этого вещества на поверхности сорбента. Отсюда следует, что в данном случае на поверхности частиц угля происходит одновременная концентрация примесей и озона, при этом плотность примесей и озона на поверхности сорбента, а также время их нахождения в сорбированном состоянии, а значит и время их контакта, в тысячи раз больше, чем в объеме очищаемой воды. Таким образом, на поверхности сорбента создаются благоприятные условия для резкого ускорения реакции окисления и наиболее полного окисления озоном поглощенных примесей. В результате окисления озоном происходит холодное “сжигание” примесей (например, происходит дробление и окисление до углекислого газа и воды основной части высокомолекулярных органических соединений), причем продукты озонолиза обладают значительно лучшей сорбируемостью. Все это способствует восстановлению сорбционной активности частиц угля и известному увеличению их сорбционной емкости при озонировании очищаемой воды. Из этого анализа следует, что для улучшения сорбционных свойств активированного угля под воздействием озона необходимо увеличить концентрацию озона и примесей на поверхности сорбента. А этого можно достичь, увеличив, с одной стороны, концентрацию озона в очищаемой воде в момент ее сорбционной очистки и, с другой стороны, интенсивность процессов массообмена между этой водой и поверхностью сорбента. Однако в данном способе очистки питьевой воды, во-первых, вследствие смещения по времени процессов озонирования и сорбционной очистки воды и быстрого распада озона (период полураспада озона в воде составляет несколько минут), во-вторых, из-за указанной выше низкой эффективности озонирования воды концентрация озона в очищаемой среде является относительно низкой. Ниже будет показано, что в данном случае и интенсивность процессов массообмена между очищаемой водой и сорбентом является относительно низкой;
- возможность повышения эффективности процесса очистки порции питьевой воды, потенциально заложенная в кувшинном способе очистки, не может быть реализована в способе-прототипе в полной мере, так как процессы озонирования и сорбционной очистки этой порции питьевой воды осуществляются, во-первых, раздельно в разных устройствах и в разное время и, во-вторых, в проточном режиме нахождения очищаемой воды в слое сорбента. И, как следствие, при реализации способа-прототипа водоочистители кувшинного типа имеют, как будет показано ниже, относительно низкие ресурс, производительность и более высокую себестоимость очищенной воды;
- неудобство при реализации способа-прототипа в быту, так как при этом требуется осуществление нескольких дополнительных операций, связанных с предварительным озонированием очищаемой воды в отдельной контактной камере, и дополнительное количество времени.
Бытовой комплект, принятый в качестве прототипа, обладает, в дополнение к вышеперечисленным недостаткам способа-прототипа, следующими недостатками:
- относительно малая длина траектории движения очищаемой воды в слое сорбента, что связано с относительно малой высотой патрона в прототипе. Данное обстоятельство ухудшает интенсивность контакта этой воды с сорбентом;
- неэффективное использование временного ресурса водоочистителей кувшинного типа. Действительно, в прототипе обработка очищаемой воды сорбентом длится менее одной минуты и в основной части промежутка времени до подачи следующей порции воды в слой сорбента (а этот промежуток обычно составляет более одного часа) очистка воды не происходит. Однако, в течение такого относительно короткого промежутка времени контакта извлечение примесей из воды сорбентом происходит в недостаточной степени. Известно, что поглощение примесей из водной среды твердыми частицами сорбента зависит от процессов массопереноса в этой среде и массообмена на поверхности сорбента. С одной стороны, эти процессы обладают определенной инерцией и с увеличением времени контакта очищаемой среды с сорбентом происходит лишь плавное увеличение извлекаемости примесей. С другой стороны, происходит довольно быстрое сорбционное насыщение внешней активной поверхности сорбента и дальнейшая кинетика сорбционного процесса определяется, во первых, процессом диффузии извлекаемых примесей в транспортных порах внутри частиц угля. Однако из-за малых диаметров этих пор и, как следствие, значительных сил вязкости в них для указанной диффузии требуется время, значительно превосходящее указанное время контакта очищаемой воды и сорбента в прототипе. Во вторых, вследствие показанного выше относительно медленного восстановления под окисляющим воздействием озона сорбционной активности угля в прототипе такое малое количество времени контакта очищаемой воды с сорбентом является недостаточным для указанного восстановления (особенно активности угля по трудноокисляемым загрязнителям), что с ростом количества пропущенной воды ухудшает степень очистки этой воды. Таким образом, для более глубокой и надежной очистки воды следует существенно увеличить длительность и интенсивность контакта этой воды с сорбентом;
- неэффективное использование объема бытового комплекта кувшинного типа и, как следствие, относительно низкие производительность и ресурс непрерывной (то есть без замены сорбента) работы этого комплекта. Эти характеристики сорбционных водоочистителей при прочих равных условиях определяются количеством сорбента в них. Однако в прототипе объем сорбента в общем объеме бытового комплекта (то есть с учетом объема контактной камеры) составляет менее 5%. А остальная часть объема бытового комплекта (а это более 95%) используется просто как резервуар для неочищенной (объем воронки), озонированной (объем контактной камеры) и очищенной (объем кувшина) воды и в процессе сорбционной очистки воды вообще не участвует и участвует лишь частично (объем контактной камеры) и в течение лишь нескольких минут в процессе озонирования очищаемой воды;
- низкая надежность очистки питьевой воды и невозможность использовать в полном объеме сорбционную емкость активированного угля (что эквивалентно уменьшению его сорбционной емкости). Это связано, с одной стороны, с необходимостью частой смены патрона в условиях интенсивной его эксплуатации и отсутствия индикаторов качества очистки воды, и, с другой стороны, относительно малым количеством времени контакта очищаемой воды с сорбентом;
- неудобство в эксплуатации. Это связано, с одной стороны, с необходимостью частой смены патрона в условиях отсутствия индикаторов качества очистки воды. С другой стороны, с необходимостью осуществления нескольких дополнительных операций, связанных с предварительным озонированием очищаемой воды в отдельной контактной камере (которое к тому же требует затраты определенного количества времени);
- относительно высокая себестоимость единицы очищенной воды, что является следствием показанного выше неэффективного использования озона, сорбента, объемного и временного ресурсов бытового комплекта кувшинного типа;
- некомпактность (бытовой комплект содержит отдельные контактную камеру, кувшинный фильтр, озонатор, крышку контактной камеры с патрубками, газоподводящими трубками и распылителем озона);
- неспособность очищать воду с высокой исходной степенью загрязнения, что связано с указанными выше относительно малыми значениями времени контакта воды с сорбентом и длины траектории движения этой воды в слое сорбента прототипа.
Таким образом, в прототипах как способа, так и устройства использование озона, сорбционных свойств угля, объема бытового комплекта кувшинного типа, возможностей кувшинного способа очистки воды осуществляется неэффективно.
Решаемой технической задачей изобретения является более рациональное использование озона, сорбента, объема водоочистителя кувшинного типа, возможностей кувшинного способа очистки и на основе этого создание нового более компактного, надежного и удобного в эксплуатации бытового комплекта кувшинного типа для очистки питьевой воды, который при неизменном общем объеме будет иметь более высокие ресурс работы, производительность и степень очистки воды, более низкую себестоимость единицы очищенной воды и будет способно сохранить глубину очистки воды при высокой исходной концентрации примесей.
Решение технической задачи в способе очистки питьевой воды бытовым комплектом кувшинного типа, включающем озонирование порции очищаемой воды и ее очистку в слое сорбента, в качестве которого используют активированный уголь в виде частиц и/или смесь этих частиц с ионообменной смолой, достигается тем, что озонирование порции воды осуществляют во время нахождения этой порции воды непосредственно в слое сорбента, при этом совместную очистку порции воды озоном и сорбентом осуществляют в статическом режиме нахождения этой воды в слое сорбента и в течение всего интервала времени до подачи в данный слой сорбента следующей порции воды.
Решение технической задачи в бытовом комплекте кувшинного типа для очистки питьевой воды, содержащем контактную камеру с размещенным на ее днище распылителем озона, воронку, патрон, заполненный сорбентом и закрепленный ко дну воронки, достигается тем, что воронка с патроном вставлены в контактную камеру, снабженную сливным краном, при этом объем патрона, днище которого выполнено сетчатым, превышает объем воронки не менее чем в четыре раза.
Верхний край воронки может быть размещен на уровне верхнего края контактной камеры, сливной кран которой размещен на расстоянии 10 см от ее днища, а днище патрона, в центральной части которого может быть выполнена выемка для размещения распылителя озона, может быть расположено на расстоянии 5-10 мм от днища контактной камеры.
Патрон может быть выполнен так, что его высота превышает осредненный поперечный размер этого патрона не менее чем в два раза, при этом патрон состоит из трех частей: расположенной в воронке верхней части, боковые стенки которой выполнены дырчатыми; нижней части, зазор между боковыми стенками которой и контактной камеры составляет 2-5 мм; средней части, боковые стенки которой плавно переходят в боковые стенки верхней и нижней частей патрона. Ко всей наружной боковой поверхности верхней части патрона может быть закреплен сменный механический фильтр, а патрон снабжен сетчатой крышкой.
На чертеже изображен пример конкретной реализации предложенного бытового комплекта кувшинного типа для осуществления заявленного способа очистки питьевой воды.
Бытовой комплект кувшинного типа, изображенный на чертеже, содержит контактную камеру 1 с размещенным на ее днище распылителем озона 2, воронку 3, патрон 4, заполненный сорбентом 5 и закрепленный герметично и съемно ко дну воронки 3. Воронка 3 с патроном 4 вставлены в контактную камеру 1, причем верхний край воронки 3 размещен на уровне верхнего края этой камеры. Контактная камера 1 снабжена размещенным на заданном расстоянии от днища этой камеры сливным краном 6. Объем патрона 4, днище 7 которого выполнено сетчатым, превышает объем воронки 3 не менее чем в четыре раза. Днище 7 патрона 4, в центральной части которого имеется выемка 8 для размещения распылителя озона 2, расположено на расстоянии 5-10 мм от днища контактной камеры 1. Патрон 4, высота которого превышает его осредненный поперечный размер не менее чем в два раза, выполнен состоящим из трех частей: расположенной в воронке 3 верхней части, боковые стенки которой выполнены дырчатыми; нижней части, зазор между боковыми стенками которой и контактной камеры 1 составляет 2-5 мм; средней части, боковые стенки которой плавно переходят в боковые стенки верхней и нижней частей патрона 4. Ко всей наружной боковой поверхности верхней части патрона 4 закреплен сменный механический фильтр 9, а патрон 4 снабжен сетчатой крышкой 10. Распылитель озона 2 подключен газоподводящей трубкой 11 к озонатору 12, размещенному под контактной камерой 1 и снабженному реле времени. Воронка 3 снабжена крышкой 13. Верхняя часть пространства воронки 3 через отверстия 14 газоподводящей трубкой 15 соединена с озонатором 12.
В качестве сорбента 5 могут использоваться активированные угли в виде дробленных или гранулированных частиц и/или смесь этих частиц с ионообменной смолой.
Рассмотрим осуществление предлагаемого способа с помощью бытового комплекта кувшинного типа, изображенного на чертеже. В начале эксплуатации предложенного комплекта его заполняют через воронку 3 очищаемой водой и включают озонатор 12. Реле времени, настроенное на заданное количество времени, зависящее от объема патрона 4 и качества очищаемой воды, отключает озонатор 12 через указанное количество времени. Очищенную воду при первых нескольких заправках следует слить. Емкость (например, чайник) для очищенной воды (не показана) ставят под сливным краном 6 и открывают этот кран. При этом из сливного крана 6 начинает вытекать уже очищенная вода, находящаяся в пространстве между стенками контактной камеры 1 и патрона 4 выше уровня этого крана. Одновременно, неочищенная вода, находящаяся в воронке 3, начинает вытеснять уже очищенную воду из патрона 4 в пространство между стенками этого патрона и контактной камеры 1. Далее, не дожидаясь слива необходимого количества очищенной воды, открывают крышку 13 и в воронку 3 заливают очередную порцию очищаемой воды. За счет размещения сливного крана 6 на заданном расстоянии от днища контактной камеры 1 можно добиться достаточно высокой скорости слива очищенной воды из контактной камеры 1 (не менее 1 л/мин). При этом вследствие, во-первых, относительно большого объема сорбента 5 в патроне 4, во-вторых, постоянной заполненности водой слоя сорбента 5 (при этом отсутствуют приводящие к поднятию угольной пыли взаимные перемещения частиц сорбента 5) вытеснение очищенной воды из патрона 4 неочищенной водой из воронки 3 происходит в спокойном режиме без поднятия угольной пыли (испытания показали, что в слитой воде угольная пыль отсутствует даже в случае слива воды при работающем озонаторе). Объем воронки 3 должен быть подобран так, чтобы он был примерно равен объему обычной порции очищенной воды, потребляемому пользователем. Однако, как будет показано ниже, в случае необходимости большей порции очищенной воды предложенный бытовой комплект позволяет извлечь из него непрерывно и достаточно быстро (со скоростью не менее 1 л/мин) необходимое количество очищенной воды с высокой степенью очистки, что выгодно отличает его от прототипа. Для этого достаточно дольше подержать открытым сливной кран 6 и эпизодически доливать воду в воронку 3.
После слива необходимого количества очищенной воды закрывают сливной кран 6, дополняют водой воронку 3 до верхнего уровня, закрывают крышку 13 воронки 3 и включают озонатор 12. При этом из распылителя озона 2 в нижнюю часть контактной камеры 1 начинает поступать озон в виде мелких озоно-воздушных пузырьков, которые полностью попадают через сетчатое днище 7 в нижнюю часть патрона 4 и, двигаясь в очищаемой среде по сложной траектории между частицами сорбента 5, при этом часто останавливаясь и иногда объединяясь друг с другом, поднимаются вверх, проходят через сетчатую крышку 10 патрона 4 и оказываются в верхней части воронки 3. Остатки озона из этой верхней части воронки 3 выводятся через отверстия 14 и заново поступают в озонатор 12 по газоотводящей трубке 15. Реле времени отключает озонатор 12 через заданное количество времени, причем в случае необходимости (например, при высокой исходной загрязненности очищаемой воды) может быть осуществлено периодическое включение и отключение этого озонатора определенное количество раз. Залитая в воронку 3 новая порция очищаемой воды проходит через механический фильтр 9, в котором задерживаются относительно крупные механические примеси, и через дырчатые стенки попадает в верхнюю часть патрона 4 (здесь следует отметить, что нахождение верхней части патрона 4 непосредственно внутри воронки 3 не только удлиняет длину траекторий движения, с одной стороны, озоно-воздушных пузырьков в очищаемой среде, а, с другой стороны, очищаемой воды в слое сорбента, но и позволяет существенно увеличить фильтрующую поверхность механического фильтра 9 и тем самым значительно увеличить пропускную способность этого фильтра). Далее эта новая порция воды в течение 1-2 минут вытесняет из патрона 4 уже очищенную воду из предыдущей порции в пространство между боковыми стенками контактной камеры 1 и патрона 4 (далее через сливной кран 6 в емкость для очищенной воды) и занимает в патроне 4 место вытесненной ею очищенной воды, где находится в статическом режиме до открытия сливного крана 6 и подачи в воронку 3 следующей порции очищаемой воды. Очевидно, что статический режим очистки каждой порции воды озоном и сорбентом 5 в патроне 4 возможен только в том случае, когда объем этой порции не больше объема очищенной воды, вытесненной ею из патрона 4. Измерения показали, что отношение объема патрона 4 к объему воды, слитой из этого патрона в течение 1-3 минут, практически не зависит от марки активированного угля, формы и объема патрона 4, времени слива и в среднем с достаточной степенью точности можно принять равным 4. Таким образом, совместная очистка озоном и сорбентом 5 каждой порции очищаемой воды в статическом режиме нахождения этой порции воды в слое сорбента 5 и в течение всего интервала времени до подачи в данный слой сорбента следующей порции очищаемой воды возможна лишь в том случае, когда объем патрона 4 превышает объем воронки 3 (точнее, объем порции воды) не менее чем в 4 раза.
Замену сменного патрона 4 в предложенном бытовом комплекте осуществляют следующим образом. Вынимают из контактной камеры 1 воронку 3 с закрепленным к ней патроном 4, откручивают эту воронку от использованного патрона и закручивают на новый патрон. Далее споласкивают контактную камеру и вставляют в нее воронку 3 с новым патроном 4. Очищенную воду при первых нескольких заправках воронки 3 следует слить.
Пример. Бытовой комплект кувшинного типа для очистки питьевой воды, изображенный на чертеже, является цилиндрическим и имеет диаметр 16 см, высоту 35 см и объем 7 л (а вместе с озонатором “Озонид” 12, размещенным внизу, имеет общую высоту 42 см и объем 8,5 л). Воронка 3 имеет глубину 9 см, диаметр 15,5 см и объем 1,25 л (не считая объема находящейся в воронке 3 верхней части патрона 4). Патрон 4 имеет высоту 34 см, диаметр нижней части равен 15,5 см, а верхней части - 8 см. Отношение объема патрона 4, который равен 5 л, к объему воронки 3 (другими словами, отношение объема сорбента 5 к объему порции очищенной воды) составляет 4. Отношение среднего диаметра патрона 4 к его высоте составляет 2,5. Расстояние от днища контактной камеры 1 до уровня сливного крана 6 составляет 10 см.
В качестве сорбента 5 использовался дробленный активированный уголь БАУ-МФ производства ОАО “Сорбент” (г. Пермь).
Водопроводная вода подвергалась очистке в бытовом комплекте “Барьер”-“Озонид” (прототип) и в предложенном бытовом комплекте. Озонаторы и длительность озонирования (10 минут) в обоих комплектах были одинаковы. Так как рабочие характеристики водоочистителей сорбционного типа находятся в прямой зависимости от количества сорбента в них, сравнение результатов испытаний прототипа и предлагаемого водоочистителя проводилось при одинаковых значениях отношения объема очищенной воды к объему очищающего сорбента (обозначим это отношение через Vотн).
Эффективность процесса очистки воды оценивалась по перманганатной окисляемости (ХПК), являющейся интегральной характеристикой степени очистки воды, путем анализа проб по стандартной методике. Для большей наглядности сравнения результаты анализов представлены как отношение ХПК воды, очищенной в прототипе (ХПК прот), к ХПК воды, очищенной в предложенном водоочистителе (ХПКпред), взятыми при одинаковых значениях отношения объема очищенной воды к объему очищающего сорбента. Количество времени нахождения очищаемой воды в статическом режиме в слое сорбента 5 предложенного комплекта составляло 20 минут и было равно количеству времени, затрачиваемому в прототипе на предварительное озонирование и пропускание через фильтр “Барьер” воды в количестве 1,2 л. Кроме испытаний, направленных на сопоставление эффективности очистки воды в известном и предложенном бытовых комплектах, результаты которых представлены в таблице, были также проведены в предложенном бытовом комплекте дополнительные испытания: 1) с более длительной сорбционной очисткой воды (60 минут) без изменения времени озонирования; 2) с более длительным озонированием; 3) с модельным раствором (сточная вода, прошедшая биологическую очистку) с исходной высокой степенью загрязнений.
Полученные данные показывают, что в начальный период эксплуатации (до 50 л очищенной воды или Vотн = 250) степень очистки воды в прототипе лишь незначительно хуже степени очистки воды в предложенном комплекте. Это объясняется тем, что более высокая эффективность процесса очистки в предложенном комплекте компенсируется более высокой активностью сорбента (кокосового угля) в прототипе по сравнению с березовым углем в предложенном водоочистителе. Однако с ростом относительного расхода Vотн начинает сказываться преимущество предлагаемого способа очистки, что объясняется следующими обстоятельствами. В то время как степень очистки воды в предложенном комплекте практически не меняется, в прототипе вследствие неэффективного использования озона сорбционная активность угля восстанавливается в недостаточной степени. При этом из-за относительно малых значений времени контакта очищаемой воды с сорбентом (менее одной минуты) и длины траектории движения воды в слое сорбента (длина траектории движения воды в прототипе в пять раз меньше, чем в предложенном комплекте) в прототипе некоторое количество примесей начинает проскакивать через этот слой сорбента, причем это количество с ростом относительного объема очищенной воды возрастает. Отсюда, в частности, следует, что несмотря на более низкие исходные сорбционные характеристики дешевого березового угля его сорбционная активность и сорбционная емкость в предложенном комплекте оказываются более высокими по сравнению с аналогичными характеристиками дорогого кокосового угля в прототипе, то есть происходит улучшение сорбционных характеристик активированного угля.
Испытания, проведенные с предложенным комплектом при разных значениях времени очистки воды сорбентом 5 и озоном, исходной загрязненности очищаемой воды, показали, что увеличение как времени контакта очищаемой воды с сорбентом, так и времени озонирования этой воды в слое сорбента не приводит к существенному улучшению степени очистки относительно чистой водопроводной воды. Это позволяет говорить о высокой надежности очистки этой воды в предложенном комплекте. Однако при очистке модельной воды с высокой степенью исходной загрязненности указанное увеличение времени совместной очистки воды сорбентом и озоном оказывает существенное положительное влияние на степень очистки воды, причем более сильное влияние оказывало увеличение времени озонирования воды.
Анализ полученных данных показывает, что при переходе от прототипа к предложенному бытовому комплекту кувшинного типа, в котором реализован предложенный способ очистки питьевой воды, происходят: значительное увеличение поглощающей способности активированного угля (в 1,5 раза); повышение степени очистки воды (остаточное содержание загрязнений уменьшается в несколько раз); увеличение ресурса непрерывной работы бытового комплекта более чем в 30 раз при неизменном общем объеме бытовых комплектов; повышение производительности более чем в 5 раз; понижение себестоимости единицы очищенной воды (с учетом замены тридцати и более патронов прототипа с дорогим кокосовым углем на один патрон предложенного комплекта с дешевым и доступным березовым углем) более чем в пять раз.
Преимущества заявляемого способа очистки питьевой воды:
- озонирование очищаемой воды и использование озона в процессах окисления примесей являются более эффективными. Действительно, во-первых, при озонировании воды во время нахождения ее непосредственно в слое сорбента озоно-воздушные пузырьки двигаются, часто останавливаясь, в мелкодисперсной среде сорбента по значительно более длинным траекториям. Это увеличивает время их контакта с озонируемой средой, что, в свою очередь, способствует увеличению количества озона, поглощаемого водой из этих пузырьков. Во вторых, в данном случае озоно-воздушные пузырьки непосредственно контактируют с поверхностью частиц сорбента и при этом происходит очень интенсивное (поглощаемость озона активированным углем во много раз превосходит поглощаемость озона водой) и непосредственное поглощение сорбентом озона из этих пузырьков и эффективное вовлечение этого поглощенного озона в процесс окисления сорбированных загрязнений (как уже было показано, на поверхности сорбента создаются наиболее благоприятные условия для взаимодействия озона и примесей), что существенно повышает коэффициент использования озона и уменьшает его потери. В третьих, вследствие многократного увеличения времени контакта озонированной воды с сорбентом растворенный в очищаемой воде и не прореагировавший с примесями озон практически полностью поглощается сорбентом и участвует в окислении примесей уже в объеме сорбента, что также повышает эффективность использования озона и уменьшает его потери, а также понижает содержание остаточного озона в очищенной воде;
- улучшение сорбционных свойств активированного угля под воздействием озона является более значительным. В предлагаемом способе очистки воды вследствие озонирования очищаемой воды во время нахождения этой воды непосредственно в слое сорбента, с одной стороны, во-первых, сорбционная очистка воды происходит при более высокой концентрации озона в очищаемой среде. Во-вторых, озонируемая вода находится в емкости, заполненной сорбентом, что эквивалентно увеличению концентрации озоно-воздушных пузырьков, а значит концентрации поглощаемого из них озона в озонируемой воде еще в несколько раз. В третьих, из-за более эффективного озонирования воды (смотри выше) концентрация озона в воде во время ее сорбционной очистки становится еще более высокой. С другой стороны, при движении озоно-воздушных пузырьков между частицами сорбента происходит, во-первых, вовлечение воды в эти движения пузырьков, во-вторых, колебания воды и в некоторой степени частиц сорбента в результате периодического вытеснения и обратного всасывания воды при движении этих пузырьков, в третьих, как было показано выше, существенное повышение интенсивности поглощения озона из очищаемой газожидкостной среды. Таким образом, с одной стороны, происходит увеличение концентрации озона в очищаемой воде в момент ее сорбционной очистки, а с другой стороны, интенсифицируются процессы массопереноса в очищаемой среде и массообмена (особенно поглощение озона) на поверхности сорбента. Все это, как было показано выше, способствует более значительному улучшению сорбционных свойств активированного угля под воздействием озона;
- возможности повышения эффективности процесса очистки порции питьевой воды, потенциально заложенные в кувшинном способе очистки воды, реализованы в полной мере. Это связано с тем, что весь объем слоя сорбента и весь промежуток времени, отведенный для одной порции очищаемой воды, в данном способе используются в полной мере в процессе совместной очистки этой порции воды озоном и сорбентом;
- процесс реализации кувшинного способа очистки воды существенно упрощен, так как отпадает необходимость предварительного озонирования (требующего, к тому же, затраты дополнительного количества времени).
Заявляемый бытовой комплект кувшинного типа для очистки питьевой воды, в котором реализован предложенный способ очистки воды, обладает в дополнение к вышеперечисленным преимуществам заявляемого способа следующими преимуществами по сравнению с прототипом (при одном и том же общем объеме бытовых комплектов):
- длина траектории движения очищаемой воды в слое сорбента увеличена в несколько раз, что связано с многократным увеличением высоты патрона. Данное обстоятельство способствует улучшению всех рабочих характеристик водоочистителя;
- временной ресурс очистки бытового комплекта кувшинного типа используется максимально, так как совместная очистка порции воды озоном и сорбентом осуществляется в течение всего интервала времени, отведенного для этой порции воды;
- объем бытового комплекта кувшинного типа используется более эффективно. Действительно, в данном случае происходит совмещение в пространстве и во времени процессов озонирования и сорбционной очистки (то есть отпадает наличие отдельных контактной камеры и сорбционного фильтра); повышение эффективности использования озона и сорбента (см. выше); увеличение объема сорбента в бытовом комплекте в 20 и более раз при неизменном общем объеме этого комплекта. Все это позволяет максимально интенсивно и эффективно использовать объем предложенного бытового комплекта. А это, в свою очередь, позволяет многократно увеличить ресурс непрерывной (то есть без замены патрона) работы комплекта; многократно увеличить производительность комплекта; заменить дорогостоящие, но более эффективные сорбенты, на более дешевые и доступные (например, кокосовый уголь на березовый), что в конечном итоге позволяет снизить себестоимость единицы очищенной воды;
- степень и стабильность очистки питьевой воды является более высокой. В данном случае по сравнению с прототипом существенно увеличены длительность и интенсивность контакта порции очищаемой воды с сорбентом и озоном, что, как было показано выше, обеспечивает более глубокую и надежную очистку этой порции воды;
- является более удобной и надежной в эксплуатации. Это связано с тем, что в данном случае отсутствует необходимость, во-первых, частой смены патрона в условиях отсутствия индикаторов качества очистки воды, во-вторых, осуществления дополнительных операций, связанных с осуществлением предварительного озонирования в отдельной контактной камере, которые, к тому же, отнимают определенное количество времени;
- более низкая себестоимость единицы очищенной воды, что является следствием показанного выше более эффективного использования озона, сорбента, объема и временного ресурса водоочистителя кувшинного типа;
- более компактный;
- осуществляет глубокую очистку порции воды с исходной высокой степенью загрязнения;
- исключается вероятность попадания угольной пыли и продуктов озонолиза в очищенную воду. Исследования показали, что, с одной стороны, при озонировании воды в момент ее нахождения в слое сорбента, то есть при движении озоно-воздушных пузырьков между частицами сорбента, происходит поднятие угольной пыли (если конечно уголь, как это делается в прототипе, предварительно не промыт достаточно большим количеством воды, непроизводительно сбрасываемой в канализацию, что уменьшает сорбционную емкость угля и является нецелесообразной с экономической точки зрения), которая попадает в очищаемую воду. При этом в очищенной воде могут оказаться и продукты озонолиза. С другой стороны, содержащиеся в воде угольная пыль и продукты озонолиза эффективно удаляются из воды при пропускании ее с малой скоростью через угольный фильтр. В предложенном комплекте озонирование очищаемой воды осуществляется лишь в начальный период времени и не более 10-15 минут и далее реле времени отключает озонатор. Дальнейшее озонирование очищаемой воды (за исключением случаев с исходной высокой степенью загрязнения воды) нецелесообразно, так как вследствие высокой эффективности процесса озонирования воды и интенсивного поглощения углем озона непосредственно из озоно-воздушных пузырьков в предложенном комплекте происходит относительно быстрое насыщение озоном порции очищаемой воды и сорбента. В остальную часть интервала времени, отведенного для очистки этой порции воды (то есть до подачи в данный слой сорбента следующей порции воды) патрон 4 является просто угольным фильтром, который интенсивно поглощает поднятый ранее при озонировании угольную пыль и продукты озонолиза из находящейся в статическом режиме порции очищаемой воды. Поэтому при вытеснении новой порцией очищенной порции воды из патрона 4 (отметим, что из-за относительно большого объема патрона 4 скорость движения воды в нем при этом вытеснении будет относительно небольшим) исключается вероятность попадания угольной пыли и продуктов озонолиза в очищенную воду;
- из предложенного бытового комплекта можно извлечь непрерывно и с достаточно высокой скоростью (не менее 1 л/мин) воду с высокой степенью очистки в количестве, в три и более раза превосходящем объем порции очищаемой воды (при условии, что в воронку эпизодически доливается очищаемая вода). Основанием для этого является то, что в этом комплекте, во-первых, в патроне 4 постоянно находится очищенная вода в количестве, в четыре разе превосходящем объем указанной порции и при необходимости можно извлечь значительную часть этой воды. Во вторых, в пространстве между стенками патрона 4 и контактной камеры 1 тоже находится очищенная вода. В третьих, вследствие, с одной стороны, высокой насыщенности озоном поверхности пор частиц сорбента 5 и, как следствие, высокой их активности, а, с другой стороны, большой длины траектории движения воды в слое сорбента 5, очищаемая вода в процессе прохождения через слой сорбента 5 предложенного комплекта подвергается интенсивной очистке озоном и сорбентом 5 даже при отсутствии непосредственного озонирования.
Таким образом, предлагаемое техническое решение устраняет все перечисленные выше недостатки прототипов способа и бытового комплекта кувшинного типа и решает поставленную задачу.
В заключение отметим, что при переходе от прототипа к предложенному способу очистки питьевой воды, в котором озоно-воздушные пузырьки одновременно взаимодействуют с очищаемой водой и непосредственно с частицами сорбента, двухфазная среда очистки воды в случае прототипа (газ-вода в контактной камере и вода-твердое тело в сорбционном фильтре) превращается в трехфазную (газ-вода-твердое тело) в предложенном способе. Кроме этого, очистка воды, в отличие от известных бытовых водоочистителей кувшинного и проточного типов, осуществляется в качественно новом - статическом режиме нахождения воды в слое сорбента и в течение интервала времени, в десятки раз превышающего время очистки в указанных водоочистителях. Все это приводит к показанным выше многочисленным и существенным изменениям физических процессов, происходящих при очистке воды. Это позволяет говорить о качественном отличии физической сущности процессов очистки воды в прототипе и предложенном способе.
Список использованной литературы
1. Миклашевский Н.В., Королькова С.В. Чистая вода. Системы очистки и бытовые фильтры. - СПб.: БХВ-СПб, Издательская группа “Арлит”. 2000. - 240 с.
2. Бытовой комплект для очистки питьевой воды “Барьер”-“Озонид” (Система “Озонид СП”). Описание и руководство по эксплуатации. Изготовитель: ТОО “Озонид”. 460000, г. Уфа, ул. Гоголя, 46.
Формула изобретения
1. Способ очистки питьевой воды бытовым комплектом кувшинного типа, включающий озонирование порции очищаемой воды и ее очистку в слое сорбента, в качестве которого используют активированный уголь в виде частиц и/или смесь этих частиц с ионообменной смолой, отличающийся тем, что озонирование порции воды осуществляют во время нахождения этой порции воды непосредственно в слое сорбента, при этом совместную очистку порции воды озоном и сорбентом осуществляют в статическом режиме нахождения этой воды в слое сорбента и в течение всего интервала времени до подачи в данный слой сорбента следующей порции воды.
2. Бытовой комплект кувшинного типа для очистки питьевой воды, содержащий контактную камеру с размещенным на ее днище распылителем озона, воронку, патрон, заполненный сорбентом и закрепленный ко дну воронки, отличающийся тем, что воронка с патроном вставлены в контактную камеру, снабженную сливным краном, при этом объем патрона, днище которого выполнено сетчатым, превышает объем воронки не менее чем в четыре раза.
3. Бытовой комплект по п.2, отличающийся тем, что верхний край воронки размещен на уровне верхнего края контактной камеры, при этом сливной кран контактной камеры размещен на расстоянии 10 см от ее днища, а днище патрона, в центральной части которого имеется выемка для размещения распылителя озона, расположено на расстоянии 5-10 мм от днища контактной камеры.
4. Бытовой комплект по п.2, отличающийся тем, что патрон, высота которого превышает его усредненный поперечный размер не менее чем в два раза, выполнен состоящим из трех частей: расположенной в воронке верхней части, боковые стенки которой выполнены дырчатыми; нижней части, зазор между боковыми стенками которой и контактной камеры составляет 2-5 мм; средней части, боковые стенки которой плавно переходят в боковые стенки верхней и нижней частей патрона.
5. Бытовой комплект по п.4, отличающийся тем, что ко всей наружной боковой поверхности верхней части патрона закреплен сменный механический фильтр, а патрон снабжен сетчатой крышкой.
РИСУНКИ
