Устройство для обеззараживания воды высоковольтным электрическим разрядом

Изобретение относится к устройствам подготовки воды для питьевого и технологического водоснабжения и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, автономных фермерских хозяйствах, не имеющих возможности подключиться к централизованным системам водоподготовки. Устройство содержит камеру для обрабатываемой воды и высоковольтный и заземленный электроды, размещенные в камере. Устройство снабжено источником высоковольтного напряжения с накопительным конденсатором, формирующим импульсы электрического тока постоянной полярности, и блоком управления частотой электрических импульсов, камера выполнена из диэлектрика в форме сектора, в вершине которого установлен высоковольтный цилиндрический электрод, за которым в стенке камеры выполнен канал, соединенный трубопроводом с установленным в нем регулирующим вентилем расхода воды с накопительной емкостью. Заземленный электрод выполнен с перфорацией в виде плоской ленты, загнутой по дуге радиусом, равным радиусу сектора. За заземленным электродом в стенке камеры выполнен ряд отверстий, соединенных одним общим каналом, к которому подсоединен патрубок для подачи обрабатываемой воды, поступающей в камеру обработки из камеры предварительной подготовки, которая выполнена в виде цилиндра с установленной внутри него ленточной спиралью, снабжена в нижней части аэратором, а в верхней части соединена с фильтром, который связан с емкостью, снабженной поплавком с клапаном, регулирующим в ней уровень воды, при этом камера предварительной подготовки соединена через фильтр с атмосферой через воздушный патрубок, установленный в его корпусе для выпуска избыточного воздуха. Технический эффект - повышение степени обеззараживания воды от микроорганизмов и стабильности процесса обеззараживания воды. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройствам подготовки воды для питьевого и технологического водоснабжения и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, автономных фермерских хозяйствах, не имеющих возможности подключиться к централизованным системам водоподготовки.

Уровень техники

Известно устройство для очистки и обеззараживания воды, в котором используется способ обработки высоковольтными разрядами, скользящими непосредственно по поверхности воды.

Устройство состоит из камеры обработки, в которой в нижней части находится заземленный плоский электрод. Камера заполнена обрабатываемой водой до некоторого уровня. Над водой расположены от одного и более электродов грибообразной формы, соприкасающихся выпуклой стороной с поверхностью воды.

На все электроды одновременно подается высокое напряжение электрического тока от генератора импульсов (см. патент Российской Федерации №2095151, кл. В03C 5/00, C02F 1/46).

Недостаток данного устройства состоит в следующем. Предполагается, что при достижении необходимого напряжения в импульсе разряд будет происходить одновременно между всеми грибообразными электродами и водой, что разряд пройдет по всей поверхности воды, образуя озон и радикалы Н, ОН и др.

В действительности разряд произойдет только между одним электродом и водой, где образуется наименьшее сопротивление в силу различных факторов - неодинакового расстояния между электродами, разной насыщенности воды солями в отдельных зонах и т.д. При пробое образуется канал, по которому и устремится электрический ток. Остальные электроды останутся незадействованными и ожидаемого эффекта не получится.

Данное устройство предполагает использование для обеззараживания воды тока знакопеременного напряжения, что не позволяет достичь максимальной степени поляризации клеток микроорганизмов, при этом повышается степень сопротивляемости разрушению их оболочек по сравнению с воздействием постоянного тока с высокой крутизной переднего фронта импульса.

Эффективность ультрафиолетовой обработки воды ввиду ее незначительной мощности и малого времени воздействия будет незначительной. При этом будет иметь место крайне нежелательное явление, такое как пробивной канал, по которому пройдет электрический ток, так как при его прохождении выделяется теплота, вода превращается в пар, объем которого по сравнению с объемом испарившейся воды в 1200 раз больше, происходит гидравлический удар, но, как известно, микроорганизмы хорошо выдерживают высокое давление. Далее пар превращается в плазму, которая обладает сверхпроводимостью. Таким образом, весь импульс электрического тока проходит по плазме в канале между электродами, подвергая обработке незначительный объем воды. Остальная наибольшая масса воды остается необработанной, т.е. в ней практически не образуется необходимого для окисления ни озона, ни радикалов Н и ОН, ни других окислителей, таких как перекиси и закиси кислорода.

Результаты проведенных экспериментов показали, что степень обеззараживания в таком устройстве при достаточно многократном воздействии электрического импульса при пятикратной повторности опыта не превышала 30%, что не соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.559-96 "Гигиенические требования качества централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества".

Другое известное устройство для обеззараживания воды электрическими разрядами предполагает обработку проводить озонированным воздухом, что имеет явное преимущество перед вышеописанным устройством. Для этого данное устройство имеет отдельно камеру озонирования воздуха, а в центральном электроде выполнен канал для воды, подаваемой насосом на обработку. Камера озонирования и водяной канал в конце устройства соединяются, образуя эжекторный насос, в котором озонированный воздух смешивается с обрабатываемой водой, обеззараживая ее (см. патент Российской Федерации №2126771, кл. С02F 1/46).

Недостатком данного устройства является то, что в нем обеззараживаемая вода не подвергается воздействию импульсов электрического тока. Следовательно, исключается образование озона из кислорода, растворенного в воде, из самой воды при ее электролизе не образуется окисляющих радикалов Н, ОН и других сильных окислителей в виде окисей и перекисей кислорода, губительно воздействующих на микрофлору воды.

К другим недостаткам устройства следует отнести неоднородность получаемой водовоздушной смеси, сложность установления соотношения между массами подаваемой воды и воздуха, что делает процесс обеззараживания трудно регулируемым, с неустойчивой степенью обеззараживания, а следовательно, малой эффективностью.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для очистки и обеззараживания воды высоковольтными электрическими разрядами, содержащее камеру для обрабатываемой жидкости; высоковольтный и заземленный электроды, причем высоковольтный электрод выполнен в виде объемной решетки, а заземленный электрод - как перегородка с перфорацией в виде полых цилиндров; ниже заземленного электрода расположен контактный аэратор, а полость, расположенная под контактным аэратором, соединена воздуховодом с верхней частью устройства, где установлен высоковольтный электрод, причем внутри воздуховода установлен вентилятор; патрубок, подводящий кислородосодержащий газ, расположен в верхней части устройства, а патрубок, отводящий озоносодержащий газ, соединен с эжекторным насосом, причем патрубок, подводящий воду, расположен в зоне заземленного электрода, а патрубок, отводящий воду, - в нижней части устройства (пат. РФ №2152359 C1, C02F 1/467).

Необходимо отметить, что в описании работы устройства сказано, что при подаче высокого напряжения на высоковольтный электрод электрические разряды возникают между высоковольтным электродом и поверхностью воды, которой покрыт заземленный электрод. Следовательно, в устройстве для обеззараживания воды одновременно используются способ получения озона из воздуха при прохождении искры через воздушный промежуток и способ получения радикалов Н, ОН и др. при разряде на поверхности воды, что несомненно является положительным признаком данного устройства, направленным на увеличение эффективности обеззараживания воды. Однако этот положительный признак технически реализуется не полностью вследствие ряда недостатков, имеющих место как в самом технологическом процессе, так и в конструктивных особенностях устройства, к которым относятся следующее:

- получение озона из воздуха происходит вне объема обрабатываемой воды, что вызывает необходимость последующего смешивания с нею озонированного воздуха;

- не подвергается озонированию воздух, поглощенный водой, поскольку разряд электрического тока проходит по поверхности воды - скользящий разряд;

- прохождение обеззараживаемой воды и озонированного воздуха не обеспечивает качественного смешивания их и полного использования полученного озона. Необходимость дополнительного смешивания подтверждается наличием воздушного канала с вентилятором и эжекторного насоса, которые устраняют недостаток только частично, поскольку молекулы озона неустойчивы и быстро распадаются, тем более под воздействием вентилятора и эжекторного насоса;

- в устройстве отсутствует образование озона в слое обеззараживаемой воды, хотя это самый эффективный способ, в силу этого отсутствует предварительная аэрация воды;

- в устройстве нет канала для удаления отработавшего воздуха ни в камере обеззараживания, ни в промежуточной емкости, что делает устройство неработоспособным по следующим причинам: обязательным условием устойчивого выполнения процесса обеззараживания является равенство массового расхода воды, поступающей в установку и уходящей из нее после обработки. Поскольку воздух и вода циркулируют с помощью вентилятора и эжекторного насоса каждый по своему замкнутому кругу, а удаление отработавшего воздуха не предусмотрено ни из камеры, ни из промежуточной емкости, то свежий воздух в камеру поступать не будет, а находящийся в ней через несколько циклов потеряет активность к регенерации озона;

- в устройстве недостаточно используется явление поляризации плазмы клеток микроорганизмов, т.к. для обеззараживания применяются импульсы переменного тока. При воздействии импульсов электрического тока с неменяющейся полярностью происходит большее растяжение клетки и она в большей степени поддается разрушению.

Эти недостатки устраняются при помощи предлагаемого изобретения.

Раскрытие изобретения.

Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к увеличению степени обеззараживания за счет предварительной аэрации обрабатываемой воды перед пропусканием через нее высоковольтных электрических разрядов; не меняющейся полярности на электродах; образования озона в поглощенном воздухе непосредственно во всем объеме обрабатываемой воды; образующихся радикалов Н, ОН, перекисей и закисей водорода, губительно действующих на микрофлору; за счет более сильной поляризации клеток микроорганизмов и большего растяжения поляризованных клеток в направлении электродов, чем при постоянно меняющейся поляризации, при этом поляризованные и деформированные клетки становятся мостиками повышенной электропроводимости, что нарушает их жизнеспособность, приводит к разрыву оболочки, тем более, что благодаря камере обработке, имеющей форму сектора, плотность тока при движении обрабатываемой воды от заземленного электрода к высоковольтному по сектору постоянно увеличивается, что приводит к окончательной гибели клеток микроорганизмов; за счет управления частотой электрическими разрядами с помощью дополнительного электрода поджига, помещенного в формирующем искровом промежутке и управляемой блоком управления искры поджига, вызывающей основной разряд накопительного конденсатора, заряжаемого от высоковольтного блока питания.

Технический результат достигается тем, что устройство для обеззараживания воды с помощью высоковольтных электрических разрядов, содержащее камеру для обрабатываемой воды и высоковольтный и заземленный электроды, размещенные в камере, согласно изобретению снабжено источником высоковольтного напряжения с накопительным конденсатором, формирующим импульсы электрического тока постоянной полярности, и блоком управления частотой электрических импульсов, камера выполнена из диэлектрика в форме сектора, в вершине которого установлен высоковольтный цилиндрический электрод, за которым в стенке камеры выполнен канал, соединенный трубопроводом с установленным в нем регулирующим вентилем расхода воды с накопительной емкостью, а заземленный электрод выполнен с перфорацией в виде плоской ленты, загнутой по дуге с радиусом, равным радиусу сектора, за заземленным электродом в стенке камеры выполнен ряд отверстий, соединенных одним общим каналом, к которому подсоединен патрубок для подачи обрабатываемой воды, поступающей в камеру обработки из камеры предварительной подготовки, которая выполнена в виде цилиндра с установленной внутри него ленточной спиралью, снабжена в нижней части аэратором, а в верхней части соединена с фильтром, который связан с емкостью, снабженной поплавком с клапаном, регулирующим в ней уровень воды, при этом камера предварительной подготовки соединена через фильтр с атмосферой через воздушный патрубок, установленный в его корпусе для выпуска избыточного воздуха.

Краткое описание чертежей

На чертеже дано предлагаемое устройство для обеззараживания воды высоковольтным электрическим разрядом, общий вид.

Осуществление изобретения

Устройство для обеззараживания воды с помощью высоковольтных электрических разрядов состоит из камеры 1 для обрабатываемой воды, выполненной из диэлектрика форме сектора, в вершине которого установлен высоковольтный цилиндрический электрод 2, за которым в стенке камеры 1 выполнен канал 3, соединенный трубопроводом 4 с установленным в нем регулирующим вентилем 5 расхода воды с накопительной емкостью 6, а заземленный электрод 7 выполнен с перфорацией в виде плоской ленты, загнутой по дуге с радиусом, равным радиусу сектора, за заземленным электродом 7 в стенке камеры 1 выполнен ряд отверстий 8, соединенных одним общим каналом 9, к которому подсоединен патрубок 10 для подачи обрабатываемой воды, поступающей в камеру 1 обработки из камеры 11 предварительной подготовки, которая выполнена в виде цилиндра 12 с установленной внутри него ленточной спиралью 13, снабжена в нижней части аэратором 14, а в верхней части соединена с фильтром 15, который связан трубопроводом 16 с емкостью 17, снабженной поплавком 18 с клапаном 19, регулирующим в ней уровень воды, при этом камера 11 предварительной подготовки соединена через камеру 20 фильтра 15 с атмосферой через воздушный патрубок 21, установленный в его корпусе для выпуска избыточного воздуха, высоковольтный цилиндрический электрод 2 и заземленный перфорированный ленточный электрод 7 подсоединены через формирующий зазор 22 с накопительным конденсатором 23 источника высоковольтного напряжения 24, а в формирующий зазор 22 введен электрод 25 поджига искры, соединенный с блоком 26 управления частотой электрических импульсов.

Работает устройство для обеззараживания воды высоковольтными электрическими разрядами следующим образом.

При открытии регулирующего вентиля 5, определяющего массовый расход обрабатываемый воды через камеру 1, т.е. производительность устройства, вода из емкости 17 по трубопроводу 16 поступает в фильтр 15, фильтруясь, поступает в камеру 11 предварительной подготовки воды и движется по ленточной спирали 13, заполняя весь объем камеры 11, и далее по патрубку 10 поступает в канал 9 и через отверстия 8 в камеру 1, где проходит через заземленный электрод 7, заполняет весь объем камеры 1 и по каналу 3, трубопроводу 4 через регулирующий вентиль 5 расхода воды поступает в накопительную емкость 6, из которой она по мере необходимости забирается.

После открытия регулирующего вентиля 5 расхода воды включается аэратор 14, подающий воздух из атмосферы в массу воды, протекающую через камеру 11 предварительной подготовки, и насыщает ее воздухом. Избыток воздуха, не поглощенный водой, поднимается вверх по всему объему камеры 11 предварительной подготовки воды вдоль ленточной спирали 13 навстречу потоку воды, что способствует увеличению времени контакта воздуха с водой и его максимальному насыщению. Избыток воздуха поступает в камеру 20 фильтра 15 и через воздушный патрубок 21 уходит в атмосферу.

Обеззараживание происходит в камере 1 путем пропускания через воду импульсного электрического тока постоянной полярности при разряде накопительного конденсатора 23, заряжаемого до необходимого потенциала источником высоковольтного напряжения 24, на высоковольтном цилиндрическом электроде 2 (плюс), на заземленном электроде 7 (минус), с определенной частотой, которая регулируется блоком 26 управления частотой электрических импульсов, путем периодического проскакивания искры в формирующем зазоре 22, возбуждаемой электродом 25 поджига искры и одним из электродов формирующего зазора 22. Без искры, возбуждаемой электродом 25 поджига искры, воздушный промежуток в формирующем зазоре 22 из-за большого расстояния является непробойным для разряда накопительного конденсатора 23. При проскакивании искры от электрода 25 поджига искры в формирующем зазоре 22 образуется плазма, сопротивление его резко уменьшается и накопительный конденсатор 23 разряжается через воду, находящуюся между высоковольтным цилиндрическим электродом 2 и заземленным электродом 7. Потенциал зарядки и накопленная энергия конденсатора подбираются такими, чтобы в обрабатываемой воде не образовалось канала пробоя с образованием плазмы, гидроудара, а электрический ток проходил бы через весь объем обрабатываемой воды в камере 1. При прохождении тока большой силы в импульсе образуется озон в поглощенных водой пузырьках воздуха, радикалы Н, ОН и др. окислители, губительно действующие на микрофлору. При этом радикалов образуется больше, чем их образуется при скользящем поверхностном разряде, а образующийся озон сразу же имеет полный контакт с микрофлорой и его губительный эффект проявляется в большей мере.

При пропускании импульсов электрического тока постоянной полярности происходит большая поляризация клеток микроорганизмов, чем при переменной полярности, при этом клетка больше растягивается в направлении высоковольтного цилиндрического электрода 2 и заземленного электрода 7, образуя через плазму, которая хорошо проводит электрический ток, токопроводящий мостик с меньшим электрическим сопротивлением, чем вода, через который и устремляется электрический ток, увеличиваясь по своему численному значению по вышеизложенной причине. Клетка как живой организм, к тому же являющаяся микробиоэлектростанцией, утрачивает свои способности к сопротивлению, а через несколько воздействий импульсом разрядного тока ее оболочка разрывается и она погибает. Гибели клетки способствует и то, что вода с находящейся в ней клеткой перемещается от заземленного электрода 7 к высоковольтному цилиндрическому электроду 2. При этом поперечное сечение потока воды постоянно уменьшается, а плотность тока возрастает и его воздействие на клетку увеличивается, разрушая ее.

Эффективность работы устройства по обеззараживанию воды, с целью ее использования для питья, была проверена путем лабораторных исследований качества воды на соответствие СанПиН 2.1.4.559-96 "Гигиенические требования качества централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества," проводимых по методике ГОСТ 18963-73 "Вода питьевая. Методы санитарно-бактериологического анализа".

При этом были получены следующие результаты:

- при однократном воздействии импульсов количество погибших колоний бактерий составляло 15%;

- при воздействии 30 раз в минуту - колонии полностью отсутствовали.

Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод о том, что по сравнению с прототипом и другими рассмотренными устройствами заявленное устройство имеет ряд существенных преимуществ, что влечет за собой значительное повышение его эффекта обеззараживания и возможности использования его в широком диапазоне обеззараживания воды, в особенности в автономных фермерских хозяйствах и предприятиях, не имеющих централизованной системы водоснабжения.

Анализ известных технических решений в исследуемой области и в смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками заявленного устройства, выполняющего те же функции.

Экономическая эффективность от заявленного устройства заключается в том, что:

- при одинаковых затратах электрической энергии гибель микроорганизмов в обеззараживаемой воде только за один проход через устройство увеличивается в три раза и составляет 100%.

- не требуется повторного обеззараживания, что упрощает и удешевляет процесс подготовки воды и делает ее бактериологически безопасной для дальнейшего использования.

Устройство для обеззараживания воды с помощью высоковольтных электрических разрядов, содержащее камеру для обрабатываемой воды, высоковольтный и заземленный электроды, размещенные в камере, отличающееся тем, что оно снабжено источником высоковольтного напряжения с накопительным конденсатором, формирующим импульсы электрического тока постоянной полярности, и блоком управления частотой электрических импульсов, камера выполнена из диэлектрика в форме сектора, в вершине которого установлен высоковольтный цилиндрический электрод, за которым в стенке камеры выполнен канал, соединенный трубопроводом с установленным в нем регулирующим вентилем расхода воды с накопительной емкостью, а заземленный электрод выполнен с перфорацией в виде плоской ленты, загнутой по дуге радиусом, равным радиусу сектора, за заземленным электродом в стенке камеры выполнен ряд отверстий, соединенных одним общим каналом, к которому подсоединен патрубок для подачи обрабатываемой воды, поступающей в камеру обработки из камеры предварительной подготовки, которая выполнена в виде цилиндра с установленной внутри него ленточной спиралью, снабжена в нижней части аэратором, а в верхней части соединена с фильтром, который связан с емкостью, снабженной поплавком с клапаном, регулирующим в ней уровень воды, при этом камера предварительной подготовки соединена через фильтр с атмосферой через воздушный патрубок, установленный в его корпусе для выпуска избыточного воздуха.