Способ очистки воды и устройство для его осуществления

 

Использование: для очистки водопроводной воды, получения дистиллированной, очистки сточных вод и опреснения воды. Цель изобретения - улучшение качества очистки, упрощение конструкции. Сущность изобретения: способ включает нагрев и испарение воды с последующей конденсацией пара, при этом одновременно с испарением воды в образовавшиеся пары подают окислитель, например воздух, а перед конденсацией смесь паров воды и воздуха нагревают до температуры, достаточной для окисления или сгорания органических примесей, устройство содержит испаритель с входным патрубком для подачи воды, над которым размещена крышка, с внутренней стороны которой встроен нагреватель, соосно испарителю прикреплен к крышке конденсатор, выполненный в виде цилиндров с образованием зазора между одним из цилиндров и испарителем, через этот зазор под крышку введен патрубок для подачи воздуха, входной патрубок соединен с теплообменником и выходным патрубком, корпус нагревателя и стенки конденсатора имеют радиальные отверстия для выхода смеси паров. 1 ил. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к очистке воды, содержащей различные виды примесей как минерального, так и органического происхождения, и может быть широко использовано в народном хозяйстве: для очистки водопроводной воды, получения дистиллированной воды, очистки сточных вод, опреснения воды.

Известны наиболее распространенные в технике способы очистки воды фильтрованием последовательно через фильтры первой и второй ступеней с периодической промывкой загрузки фильтров, такую обработку могут вести при напряженности электрического поля 30-50 В/см в течение 10-20 мин [1] .

Известны также способы комплексной очистки сточных вод от сульфатов, фтора и фосфатов, включающие обработку различными химическими реагентами, например известковым молоком и алюминийсодержащим реагентом с последующим перемешиванием и отделением твердой фазы [2] .

Эти способы недостаточно эффективны и нетехнологичны, их трудно (практически невозможно) использовать в бытовых условиях.

Известен также способ очистки воды, наиболее близкий по технической сути к заявляемому, путем ее перегонки, т. е. разделения на различающиеся по составу фракции, включающий нагрев и испарение воды с последующей конденсацией пара. Этот способ реализуется в аквадистилляторе [3] .

Недостатком этого способа является невозможность термического разложения растворенных в воде органических примесей, поскольку нагреватель встроен так, что он погружен в воду и не может создать нагрев более 100^оС (температуры кипения воды), кроме того, его невозможно применять при достаточно минерализованной воде и тем более для опреснения морской воды.

Наиболее близким по конструктивным особенностям к заявляемому является устройство для очистки воды, содержащее испаритель с входным патрубком, нагреватель и конденсатор.

Недостатком такого устройства является возможность разделения жидкости лишь на те фракции, которые разлагаются при температуре не более 100^оС, а органические примеси, которые разлагаются при 400-600^оС, удалить из жидкости с использованием этого устройства невозможно. Кроме того, оно не работает при сильно минерализованной воде (входит в аварийный режим), а постоянно образующаяся накипь на нагревателях требует частой разборки для ее удаления, что делает это устройство непригодным при использовании в бытовых условиях.

Цель изобретения - повышение качества воды путем ее очистки от органических примесей.

Устройство для очистки воды содержит испаритель с входным для подачи воды патрубком, нагреватель и конденсатор. Новым является снабжение его размещенной над испарителем крышкой со встроенным в ней нагревателем, а также соединение испарителя с источником подачи воздуха.

Наиболее целесообразный вариант конструкции, когда испаритель размещен коаксиально центрально расположенному конденсатору, в верхней части которого имеется отверстие для входа пара.

Кроме того, для осуществления непрерывной подачи проточной воды в испарителе имеется выходной патрубок, размещенный по высоте между нагревателем и торцом упомянутой крышки, опущенной в испаритель с образованием бокового зазора.

Крышка может состоять из двух частей, в пазу между которыми помещен нагреватель, а в обращенной к конденсатору нижней части имеется радиальный канал с нагревателем и центральное отверстие, сообщающее этот паз с полостью конденсатора.

Для отделения от дистиллята продуктов органических веществ под конденсатором расположены фильтр и камера для сбора дистиллята.

Наиболее приемлемый вариант конструкции тот, в котором диаметр центрального отверстия нижней части крышки с радиальным каналом выбирается таким, чтобы скорость истечения пара с кислородом воздуха не превышала критической скорости, при которой число Рейнольдса превышает критическую величину.

Сформированная ламинарная струя паров, выходящих из центрального отверстия в конденсатор, долго сохраняет свою форму, что способствует медленной закалке в атмосфере воздуха конденсатора, т. е. создаются условия для полного сгорания органических веществ. Для термического разложения входящих в воду органических примесей (сгорания) при дистилляции воды первые пары воды и пары примесей смешивают с кислородом воздуха в достаточном количестве для окисления примесей, а затем их нагревают до температуры сгорания. При нагревании в присутствии кислорода органические вещества полностью сгорают, а входящие в их состав углерод, водород превращаются в диоксид углерода и воду.

Проблемы возрастания концентрации примесей органического и неорганического происхождения в обрабатываемой воде нет, т. к. идет непрерывная подпитка кипящего верхнего слоя проточной водой.

В процессе кипения поверхностного слоя проточной водой под воздействием теплового потока нагревателя, расположенного над водой, образующийся осадок опускается на холодное дно испарителя и уносится, а нагреватель остается чистым.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа очистки воды.

Заявляемое устройство состоит из испарителя 1 с входным патрубком 2, над испарителем размещена куполообразная крышка 3, состоящая из двух частей, в пазу между которыми размещен нагреватель 4, а в обращенной к конденсатору части имеется радиальный канал 5, сообщающий паз с центральным отверстием 6, которое, в свою очередь, сообщается с отверстием для входа пара в конденсатор 7, который соосно с зазором размещен в испарителе 1, кроме того, в испаритель 1 через этот зазор введен патрубок 8 для подачи воздуха под крышку 3. В боковой стенке испарителя 1 имеется выходной патрубок 9, размещенный по высоте между нагревателем 4 и торцом крышки 3, что обеспечивает выход проточной воды, поступающей в испаритель 1 через патрубок 2, а также поддержание уровня воды между нагревателем 4 и нижним торцом крышки 3. Нагреватель 4 всегда будет находиться над поверхностью проточной воды. Под испарителем 1 размещен сборник 10 дистиллята с встроенным фильтром 11.

Процесс очистки идет следующим образом.

Входной патрубок 2 подключается к водопроводному крану посредством эластичной муфты с обратным клапаном (условно не показаны). Расход воды устанавливается примерно 2-3 л/ч, что обеспечит при нагревателе мощностью 1,1 кВт необходимый тепловой режим для конденсатора 7. При заполнении испарителя 1 водой и установлении уровня воды на высоте отверстия выходного патрубка 9 включается нагреватель. Т. к. крышка 3 выполнена из фарфора большой толщины, то весть тепловой поток нагревателя 4 идет на нагрев поверхностного слоя воды, находящегося под нагревателем 4. Из-за низкой теплопроводности воды (0,6 Вт/м К) кипит только поверхностный слой воды. При мощности нагревателя 4, равной 1,1 кВт, толщина кипящего слоя составляет 2 10^-3 м. Одновременно с нагревателем 4 включается насос для окислителя, например, воздуха. Под крышкой 3 пары органических примесей, воды и воздуха смешиваются и под небольшим давлением 10 мм вод. ст. поступают в радиальный канал, где также находится часть нагревателя 4. В канале они нагреваются до 600^оС, при такой температуре все органические вещества полностью окисляются или сгорают, входящие в их состав углерод, водород превращаются в диоксид углерода и воду. В конденсаторе паровоздушная смесь охлаждается до точки росы воды, конденсат по стенкам стекает в фильтр. Если в результате сгорания были образованы твердые продукты сгорания, они задерживаются фильтром 11, а газообразные через зазор между конденсатором 7 и сборником 10 уходят в атмосфеpу. Отфильтрованный дистиллят поступает в сборник 10.

Описанный выше способ с использованием заявляемого устройства может быть дополнен следующими данными. Из условия, что он рассчитан для бытового пользования, мощность нагревателя была выбрана 1,1 кВт. Для сравнения с существующим способом очистки воды способом перегонки был приготовлен 10% -ный водный раствор этанола, что в 1000 раз выше допустимой нормы. Из формулы его окисления (сгорания) С₂Н₅ОН + 3О₂ = 2СО₂ + 3Н₂О нашли, что для окисления 1 г этанола необходимо 7 л воздуха. При мощности нагревателя 1,1 кВт необходимо 1964 см³/с воздуха для полного окисления образующихся паров. В качестве агрегата для нагнетания воздуха под крышку устройства был использован бытовой насос для аквариумов АЗН-2-4. Его производительность превышает 50 см³/с, что делает его пригодным для использования в данном случае.

Полученный дистиллят был подвергнут стандартному исследованию на содержание примесей. В пределах ошибки методики этанол не был обнаружен, а в дистилляте, полученном обычным способом, его присутствовало 9,8% (см. таблицу).

Аналогично описанному был проделан опыт с органическим красителем - метилоранжем. Дистиллят, полученный по заявляемому способу, не содержит метилоранжа, тогда как в дистилляте по обычной технологии его было достаточно, чтобы можно было обнаружить визуально, - вода имела оранжевую окраску.

В процессе проведения опытов нагреватель оставался без следов налета каких-либо солей или твердых продуктов сгорания.

Аналогично проверяли растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воде, в результате очистки - их полное отсутствие. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1504225, кл. С 02 F 1/46, 1987.

2. Авторское свидетельство СССР N 1650611, кл. С 02 F 1/58, 1989.

3. Паспорт А 0.000.789 ПС "Аквадистиллятор АЭВ-10, модель 789", 1983.

Формула изобретения

1. Способ очистки воды, включающий предварительный подогрев исходной воды, заполнение исходной водой испарительного объема, последующее ее испарение с образованием вторичного пара, конденсацию вторичного пара при теплообмене с исходной водой и отвод образовавшегося дистиллята, отличающийся тем, что испарение воды осуществляют с поверхностного слоя, например, толщиной 2 мм, образовавшиеся пары смешивают с окислителем, например воздухом, и смесь перед конденсацией нагревают до температуры разложения примесей, например 600^oС.

2. Устройство для очистки воды, содержащее вертикальный корпус с крышкой и патрубки входа исходной воды и отвода дистиллята, нагреватель и конденсатор, размещенные в корпусе, отличающееся тем, что устройство снабжено патрубком подвода окислителя, например воздуха, в паровое пространство, крышка выполнена из фарфора в виде двух плотно соединенных между собой верхней и нижней частей, между которыми выполнен радиальный паз для прохода вторичного пара, а нагреватель расположен в пазу, при этом конденсатор размещен под крышкой коаксиально корпусу, а в нижней части крышки выполнено вертикальное сквозное отверстие, посредством которого полость паза сообщена с полостью конденсатора.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром и сборником дистиллята, последовательно размещенными под конденсатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2