Устройство для получения методом пристеночной кристаллизации высококачественной питьевой воды с пониженной концентрацией растворенных солей и улучшенной структурой воды, обогащенной кислородом

Использование: очистные сооружения, для получения высококачественной питьевой воды с пониженным содержанием растворенных в ней солей, с улучшенной структурой воды, обогащенной кислородом, получаемой как из обычной водопроводной, так и природной воды. Сущность изобретения: бак 1 загружает через входную трубу 4 водой, отфильтрованной от известей блоком механической очистки 5. Бак 1 с внешней стороны окружен змеевиком 7 от холодильной установки. После образования на внутренней поверхности бака 1 достаточного слоя пристеночного чистого льда холодильную установку выключают и образовавшийся рассол из центральной части бака 1 сливает через выходную трубу 3. После слива рассола вентиль 3 закрывают и включают блохи нагревательной установки 8 для расплавления пристеночного чистого льда.

Изобретение относится к очистным сооружениям и может быть использовано как для массового промышленного (в больших объемах), так и для бытового (в малых объемах) получения высококачественной питьевой воды с пониженным содержанием растворенных в ней солей, с улучшенной структурой воды, обогащенной кислородом, получаемой как из обычной водопроводной, так и природной воды. Благодаря простоте и надежности разработанной технологии, соответствующий процесс в предлагаемом устройстве по получению высококачественной питьевой воды может быть полностью автоматизирован.

В связи с массовой урбанизацией и индустриализацией больших регионов России и планеты в целом, происходит значительное загрязнение природных вод как взвесями (микрочастицами), так и избыточным содержанием растворенных в воде солей. Поэтому существует острая экологическая проблема качества воды, используемой для водоснабжения населения, а также серьезная технологическая задача массовой очистки воды для бытовых нужд, в особенности для использования в пищу.

Разработаны, повсеместно имеются в продаже и достаточно широко распространены надежные, простые и дешевые установки для механической очистки (фильтрования) воды от взвесей (как очень

сложные промышленные, так и простые бытовые), выполненные на основе различных бумажных, матерчатых, нетканых и тонковолоконных, пенопластовых, стеклопенных, угольных, керамических и других видов фильтров для механической очистки воды, которые при пропускании воды через них резко понижают содержание взвесей в воде. Поэтому на первом этапе водоподготовки всегда вначале необходимо произвести фильтрование воды от взвесей.

Понижение концентрации или удаление растворенных в воде солей является значительно более сложной технической задачей, в связи с чем ее простого и дешевого решения до настоящего времени еще не было получено, но предлагаемое устройство позволяет решить эту задачу.

Известны устройства для получения очищенной от солей воды методом дистилляции (дистилляторы), состоящие из испарительной камеры с кипящей водой и змеевика, в который подается пар; на внутренних стенках змеевика осуществляется перегонка воды из пара в воду методом конденсации (см. Простаков Н.С. «Лекции по химии» Изд. Университета дружбы народов им. П.Лумумбы, М., 1969, с.36-37). Недостатками этого хорошо известного решения являются:

- значительная энергоемкость установки, связанная с очень большой теплоемкостью воды и необходимостью нагревания ее до кипения, что, соответственно, значительно повышает стоимость получаемого дистиллята;

- повышенная опасность эксплуатации в связи с наличием кипящей воды и разогретого пара под давлением, что требует постоянного и квалифицированного контроля за работой установки и исключает ее массовое бытовое использование;

- получаемый дистиллят представляет собой модификацию воды, опасную для здоровья человека при ее непосредственном

употреблении, не имеет растворенного кислорода и поэтому нуждается в предварительном проведении специальной водоподготовки (структурировании и обогащении кислородом) до ее употребления в пищу, что трудновыполнимо как в бытовых условиях, так и для больших объемов воды.

Широко известен способ частичного удаления солей из воды путем ее кипячения, в результате которого отдельные соли могут частично выпадать в осадок в виде накипи, но при этом общее снижение содержания солей в воде будет незначительным, в связи с чем способ кипячения не дает заметного результата для поставленной задачи, а после кипения вода меняет структуру и теряет растворенный в ней кислород.

Методика «умягчения» воды от основных солей для уменьшения накипи, применяемая в теплоэнергетических объектах, требует с одной стороны, довольно сложного химического процесса водоподготовки, и с другой стороны, «оставляет» в воде внесенные натриевые соли серной и соляной кислот; понятно, что такая «умягченная» техническая вода не только непригодна для употребления в пищу, но и просто опасна для жизни (см. там же, стр.38).

В литературе (см. там же, стр.35) упоминается техническое решение - частичное «опреснение» морской воды, т.е. удаление части солей методом ее замораживания при отрицательной температуре окружающей среды в некоторой емкости (или баке) до момента появления вблизи поверхности воды небольшого количества плавающих кристаллов воды. Эти кристаллы льда, имеющие несколько меньшую соленость по сравнению с исходной морской водой, затем должны быть отделены от массы воды методом слива из бака через мелкую сетку (или материю) и далее расплавлены для использования в

качестве питьевой воды. Однако это техническое решение, хотя оно и является ближайшим и единственным аналогом для предлагаемой установки, принципиально не может давать удовлетворительных результатов и на его основании нецелесообразно создавать технологические установки по нескольким основным причинам, являющимся главными недостатками этого технического решения:

- замораживание объема природной соленой воды без очистки от взвесей приводит к хаотичному росту кристаллов воды в объеме вокруг взвесей - центров кристаллизации и поэтому приведет к появлению внутри растущих льдинок «вмороженных» участков соленой воды и, соответственно, к слабой эффективности удаления солей;

- используемая процедура отделения хаотично расположенных кристаллов от омывающей их соленой воды является ненадежной и нетехнологичной, поскольку в связи со смачиваемостью, на поверхности массы многочисленных мелких отделенных от воды кристаллов (близкой по своему состоянию к «снежной каше») сохраняется достаточно большое количество (по объему от ледяной массы) соленой воды, которую невозможно отделить от кристаллов воды и которая при плавлении льда перейдет в раствор «опресненной» воды;

- центры кристаллизации (взвеси), остаются в объеме в качестве примесей и переходят после плавления в «опресненную» воду;

- получаемый ничтожно малый объем кристаллов по сравнению с исходным используемым большим объемом воды делает не только нерациональным, но и невозможным массовое применение данного технического решения, поскольку это потребует использование чрезвычайно большого исходного

количества воды для получения малого объема ледяных кристаллов (менее 1% от общего объема использованной воды).

Поэтому столь несовершенное техническое решение непригодно и не может применяться для создания технологии и соответствующих устройств массового питьевого водоснабжения, поскольку не может давать удовлетворительных результатов для очистки воды от солей и лишь несколько снижает соленость исходной воды и является нетехнологичным. Однако при этом очевидно, что такое техническое решение для «опреснения» воды хорошо применимо только для соответствующих критических ситуаций с питьевым водоснабжением на морских судах (при соответствующей холодной погоде), когда не имеется других источников воды, кроме морской.

Известны также установки для удаления растворенных в воде солей с помощью ионитов, анионитов и процесса электродиализа (см. там же, стр.35-36). Но эти установки имеют высокий уровень сложности, являются громоздкими, требуют постоянного специального и высококвалифицированного обслуживания, а также использования ряда специальных (в том числе и опасных для человека) химических веществ, имеют большую стоимость и энергоемкость и предназначены для очистки лишь небольших объемов воды, что приводит к очень высокой стоимости полученной этими способами очищенной от солей воды. Все это полностью исключает использование соответствующих установок для массового (тем более бытового) применения и получения очищенной от солей воды для питьевого водоснабжения.

И самое главное, вода, получаемая рядом указанных способов (дистилляция, удаление солей с помощью ионитов, анионитов и процесса электродиализа и др.), имеет структуру (модификацию), неблагоприятную для здоровья человека и имеет резко пониженное

содержание (или совсем не имеет) растворенного в воде кислорода, крайне необходимого для целого ряда очень важных физиологических процессов в организме (см. Батмангхелидж Ф. «Вода для здоровья» пер. с английского О.Г.Белошеев. Изд. ООО «Попурри», Минск, 2004, с.48 и с.51). В связи с этим, кроме решения проблемы снижения концентрации растворенных в воде солей, для получения высококачественной питьевой воды необходимо выполнить не только структуризацию (изменение структуры) воды на благоприятную для человека, но и существенно обогатить ее кислородом.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в создании принципиально нового устройства, предназначенного для получения высококачественной питьевой воды с пониженным содержанием солей, находящейся в благоприятной для здоровья человека модификации и обогащенной кислородом. Это новое устройство будет иметь следующие значительные преимущества по сравнению с другими:

- пониженную энергоемкость и, соответственно, существенно сниженную стоимость получаемой очищенной от солей воды;

- упрощенную технологическую схему и простоту устройства, позволяющую при эксплуатации обходиться без постоянного специального и высококвалифицированного обслуживания (что также снижает стоимость очищенной от солей воды);

- высокую эксплуатационную безопасность, что очень важно для возможности массового бытового использования;

- получаемая высококачественная питьевая вода с пониженным содержанием растворенных в ней солей будет находиться в модификации «ледяная вода» - эта структура воды очень полезна для здоровья человека и обогащена растворенным в

воде кислородом, столь необходимым для нормального функционирования многих внутренних органов;

- допускает почти полную автоматизацию процесса получения очищенной от солей, структурированной и обогащенной кислородом высококачественной питьевой воды, что позволяет сделать процесс практически автономным.

Решение поставленной задачи обеспечивается предлагаемым устройством для получения методом пристеночной кристаллизации высококачественной питьевой воды с пониженной концентрацией растворенных солей и улучшенной структурой воды, обогащенной кислородом, состоящим из вертикально расположенного цилиндрического металлического герметичного бака для воды, с внешних боковых сторон которого без контакта с баком установлены змеевик холодильного агрегата и блоки нагревательной установки, закрытые снаружи как теплозащитной, так и внешней оболочками, бак в верхней части снабжен входной трубой для воды, выходящей из блока механической очистки воды, а в нижней части бака установлена съемная герметичная крышка с вмонтированной в нее выходной трубой с вентилем и переключателем потока воды.

Принципиальная схема устройства представлена на Фиг.1.

Основная часть устройства представляет собой толстостенный (способный выдержать большое давление намерзающего изнутри льда) и строго цилиндрический, вертикально расположенный бак 1 с гладкими (полированными) внутренними стенками из металла, неподверженного коррозии (желательно - из стали). В нижней части бак 1 снабжен герметичной крышкой 2, в которую вмонтирована труба 3 для слива воды из бака 1, снабженная вентилем и переключателем потока воды в две разные трубы. Положение

переключателя потока воды при сливе через трубу 3 устанавливается в зависимости от фазы работы устройства (слив либо рассола, либо очищенной от солей и структурированной воды).

В верхнюю часть бака 1 вмонтирована входная труба для воды 4, которая, в свою очередь, выходит из блока механической очистки воды от взвесей 5, имеющего входной вентиль 6, подключенный извне к водопроводной системе поступления воды под давлением (стрелки у труб на Фиг.1 показывают направление движения потока воды).

Бак 1 с внешней стороны окружен змеевиком 7 от холодильной установки, заполненным хладагентом; змеевик смонтирован полностью бесконтактно с поверхностью бака 1. Входные и выходные трубки змеевика 7 выведены на внешнюю сторону установки и подключены к компрессору холодильного агрегата (стрелками указано движение хладагента).

Снаружи от змеевика 7 монтируются блоки нагревательной установки 8, но без контакта с баком 1 и змеевиком 7.

В пространстве между наружной стенкой бака 1 и теплозащитной оболочкой 9 устанавливаются небольшие вентиляторы 10, поток циркуляции воздуха от которых вдоль наружных стенок бака 1 обеспечивает необходимые условия равномерного как охлаждения, так и нагревания (в зависимости от этапа процесса) внешних стенок бака 1. Вся установка закрыта снаружи слоем теплозащиты, заключенной в прочную внешнюю механическую оболочку 9 (аналогично холодильнику).

Устройство работает следующим образом.

При заполненном отфильтрованной от взвесей водой баке 1 во время работы холодильной установки на внутренних стенках бака 1 в этих особых, искусственно созданных условиях - при отсутствии ядер

кристаллизации (взвесей) в массе раствора и при наличии охлажденной ниже 0°С внутренней стенки бака 1, происходит не наблюдающийся в природе и искусственный процесс пристеночной (послойной) кристаллизации воды; ядрами кристаллизации при этом служит непосредственно сама внутренняя поверхность стенки бака 1. В результате такого искусственно созданного процесса на внутренней стенке бака 1 формируется постепенно нарастающий и упорядоченный слой (кольцо) пристеночного и свободного от солей (идеально прозрачного и непрочного) льда. Соли, содержавшиеся в воде, выталкиваются нарастающим слоем кристаллов от стенки бака 1 в его центральную часть, где в воде начинается увеличение концентрации солей (накапливается «рассол»). Такой тип процесса в естественных (природных) условиях наблюдаться не может.

Рассматриваемые процессы имеют некоторые особенности, которые необходимо строго учитывать при практической реализации устройства и для постоянного использования соответствующих установок по получению питьевой воды с пониженной концентрацией растворенных в ней солей и с улучшенной структурой воды, обогащенной кислородом. Они состоят в следующем.

а) Процесс постепенного послойного нарастания пристеночного чистого от солей прозрачного льда и накопления рассола в центральной части бака 1 идет вначале некоторое время нормальным образом. Но в дальнейшем, по достижении определенной, сравнительно небольшой толщины слоя чистого льда и отрицательных значений его температуры, а также достижении определенной низкой температуры и концентрации солей в рассоле, начинается процесс быстрого и беспорядочного образования загрязненного (матового и очень прочного) льда в массе рассола. Этот процесс идет при более низкой

температуре и при возникающем значительном внутреннем давлении в рассоле, которое нарастает в связи с меньшей плотностью (и большим объемом, чем вода) нарастающего на стенках бака чистого льда. При этом «длинные» белые «иглы» загрязненного льда, возникающие в рассоле, из центральной части бака под большим давлением начинают пронзать чистый, непрочный и прозрачный пристеночный лед, который будет полностью испорчен этими включениями, содержащими большое количество солей.

б) Если матовый и прочный загрязненный (с солями) лед уже образовался в центре бака 1, то он прочно спрессовывается с чистым пристеночным льдом (произошло полное «вымораживание» воды в баке) и тогда процесс получения чистого от солей пристеночного льда будет нарушен (сорван) из-за того, что объем бака 1 выморожен полностью и дальнейшее разделение слоя чистого льда от загрязненного солями льда становится невозможным. Поэтому вся установка должна работать по принципу: «лучше недоморозить, чем переморозить» и соответственно, отрегулирована таким образом, чтобы холодильная установка работала только до момента образования достаточного слоя прозрачного и чистого льда при сохранении жидкого рассола в центральной части бака, но никогда не доводила замораживание до момента начала образования матового и прочного загрязненного солями льда. Этот принцип «недомораживания» может быть легко технически реализован либо с помощью таймера и экспериментального подбора времени замораживания, либо при использовании специальных электронных датчиков, контролирующих толщину образовавшегося пристеночного льда.

в) Проведенные многочисленные и многолетние лабораторные эксперименты показали, что количество получаемой пристеночным

замораживанием воды с пониженным содержанием солей не может превышать 45% от общего объема всего бака. При попытках получения большего количества очищенной от солей воды начинается процесс быстрой и лавинообразной кристаллизации рассола, в связи с чем для того, чтобы полностью застраховаться от начала этого процесса замораживания рассола, следует заранее ориентироваться на получение предельного объема воды с пониженной концентрацией солей не более чем 40% от общего объема бака.

г) Мощность используемой в данном устройстве холодильной установки должна быть минимизирована с той целью, чтобы процесс пристеночной кристаллизации происходил максимально медленно. При избыточной мощности холодильной установки и как следствие, слишком низкой температуре стенок бака и соответственно, при слишком быстром процессе замораживания, с самого начала работы хладоагрегата может сразу начаться процесс контактного и быстрого образования матового загрязненного солями льда непосредственно на внутренних стенках бака и поэтому «спокойный» процесс послойной пристеночной кристаллизации для получения очищенного от солей льда станет невозможным.

д) Предельное время процесса замораживания для достижения оптимального состояния соотношения лед-рассол в объеме бака («не перемороженного» или «не вымороженного») зависит от ряда факторов: объема бака, температуры и солености исходной водопроводной воды, мощности холодильной установки, температуры окружающей среды, исходного давления в баке и др. Поэтому предельное время процесса замораживания должно определяться экспериментально; при этом для надежности и «не достижения»

состояния полного вымораживания всегда следует заранее установить определенно меньшее время замораживания, чем расчетное предельное.

Установка работает циклично с последовательным чередованием следующих технологических процессов.

1. Загрузка бака 1 через входную трубу 4 водой, отфильтрованной от взвесей блоком механической очистки 5. Вода в блок 5 поступает через вентиль 6 под внешним давлением из водопроводной системы, либо от компрессора природной воды, взятой из естественного источника (скважины, реки, озера и т. д.). Вентиляторы 10 должны быть включены постоянно при всех процессах.

2. Включение агрегата холодильной установки и работа его до момента образования на внутренней поверхности бака достаточного слоя пристеночного чистого льда (не допуская начала замораживания массы рассола).

3. Выключение холодильной установки и слив рассола из центральной части бака 1 через выходную трубу 3, вентиль и переключатель в сток или слив (или в емкость для неочищенной воды, используемой, например, для технических нужд).

4. После слива рассола вентиль 3 закрывают и включают блоки нагревательной установки 8 для начала расплавления пристеночного чистого льда. При этом, в зависимости от потребности получения либо воды, либо не растаявшего льда с пониженным содержанием солей, возможны два варианта технологии дальнейших действий, начиная с п.5 очередного цикла работы установки (см. Табл. 1.).

Для проверки качества очистки воды от солей методом пристеночной кристаллизации, когда данная технология получения очищенной от солей воды была полностью отработана, в Аналитическом Центре контроля качества воды «РОСА» в Москве был проведен детальный анализ двух проб воды (до очистки и после нее), с целью оценки результатов очистки воды от солей с помощью пристеночной кристаллизации. Обе пробы для анализа (до очистки и после нее) были отобраны в один и тот же день, а затем в герметично запечатанных и предварительно очищенных больших 2-х литровых емкостях были представлены для анализа в Центр «РОСА». Результаты химического анализа проб воды были выданы в виде двух официальных документов:

- проба воды до очистки: Протокол №1251 от 01.10.2004 г.;

- проба воды после очистки: Протокол №1252 от 01.10.2004 г.

С разрешения Центра «РОСА» копии этих Протоколов приводятся далее в виде ксерокопий в Табл. 2 и 3.

Анализ приведенных протоколов показал, что результатом применения данного метода очистки является резкое уменьшение содержания всех растворенных в воде солей (для большинства из них - не менее, чем на порядок). Изменения параметров в результате очистки представлены в Табл.4.

Данные Табл. 4 доказывают, что в результате очистки воды с помощью данного технического решения - процесса пристеночной кристаллизации произошло очень резкое снижение содержания всех растворенных в воде солей: от 1,98 до 41,25 раза (в среднем для всех солей в 15 раз!), причем для двух основных параметров жесткости воды - кальция и магния в среднем в 13,9 раза, в связи с чем соответственно электропроводность воды уменьшилась более чем в 14 раз! Такого значительного результата вначале даже было трудно ожидать - данным методом получена идеально чистая, структурированная и обогащенная кислородом (например, ледниковая) вода, которая в природе встречается только в высокогорных реках или ручьях, вытекающих из снегов и ледников, расположенных выше снеговой линии. Важно заметить, что качество воды, полученной в процессе пристеночной кристаллизации по содержанию солей оказалось намного выше (меньше растворенных солей) чем в рекомендованных Нормативах «от и до» по их содержанию в воде (см. два крайних правых столбца в Табл. 2 и 3).

Таким образом, изобретение обеспечивает получение идеально чистой и высококачественной питьевой воды (или, если потребуется, льда) методом пристеночной кристаллизации, с пониженной концентрацией солей, имеющей благоприятную для человека структуру воды и обогащенной кислородом. Предлагаемая установка обладает технологической простотой и надежностью, безопасностью в работе при ее постоянном и длительном использовании, высокотехнологична, не требует постоянного высококвалифицированного обслуживания, энергетически экономна и может быть реализована на базе современной электронной техники в полностью автоматизированном и, соответственно, автономном варианте для массового использования.

Устройство для получения методом пристеночной кристаллизации высококачественной питьевой воды с пониженной концентрацией растворенных солей и улучшенной структурой воды, обогащенной кислородом, состоящее из вертикально расположенного цилиндрического металлического герметичного бака для воды, с внешних боковых сторон которого без контакта с баком установлены змеевик холодильного агрегата и блоки нагревательной установки, закрытые снаружи как теплозащитной, так и внешней оболочками, бак в верхней части снабжен входной трубой для воды, выходящей из блока механической очистки воды, а в нижней части бака установлена съемная герметичная крышка с вмонтированной в нее выходной трубой с вентилем и переключателем потока воды.