Способ и система очистки воды

 

Изобретение относится к системе и способу очистки воды, в которых загрязненную воду очищают с использованием ионизатора и озонирования для разложения и окисления не разлагающихся загрязняющих веществ. Система очистки воды содержит, по меньшей мере, один ионизатор, озоновый генератор для производства озона и озоновый смеситель для смешивания воды с озоном. Ионизатор содержит цилиндрическую камеру, по меньшей мере, один стержневой анод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой, по меньшей мере, один стержневой катод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой, по меньшей мере, одну цилиндрическую ячеистую сетку, коаксиальную с катодом и окружающую его, причем оба конца цилиндрической камеры герметично закрыты крепежным приспособлением. Способ очистки воды включает: (а) использование ионизатора, (b) возбуждение ионизатора высоким напряжением, (с) пропускание воды через ионизатор, (d) фильтрацию осадка, (е) введение озона в воду для их смешивания, и последующую (f) фильтрацию осадка. Технический результат: эффективная ионизация, разрушение или окисление не разлагающихся веществ без добавления химических препаратов, создание ионизатора, способного создавать и ускорять выпущенные электроны большим напряжением высокой частоты. 3 с. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к системе и способу очистки воды, точнее говоря к таким системе и способу, в которых загрязненную воду очищают с использованием ионизатора и озонирования для разложения и окисления неразлагающихся загрязняющих веществ.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Многие проблемы загрязнения воды вызваны неправильным сбросом химических веществ и/или химических соединений в грунтовые водные резервуары, ручьи, озера и реки. В высшей степени желательно, чтобы очистка этих загрязненных вод выполнялась без добавления еще большего количества химикатов, которые могут представлять собой другую разновидность загрязнений или экологическую угрозу.

Так как любые системы обработки сточных вод, в которых добавляются такие химические препараты, как хлор, полиэлектролиты или другие, выпадающие хлопьями для уничтожения организмов или удаления металлов и химических препаратов, обязательно требуют производства таких материалов до их использования, то с точки зрения экологии существует потребность в создании системы очистки воды, которая сводит к минимуму потребность в любом дополнительном производстве материалов, предназначенных для использования в процессе обработки.

Хлор обычно применяют для дезинфекции как воды, используемой для бытовых нужд, так и сточных вод. Однако обнаружено, что хлор, взаимодействуя с присутствующими в таких водах гуминовыми веществами, образует тригалометаны (ТГМ), такие как хлороформ, которые являются канцерогенами для животных.

Электрохимические методы иногда применяются для удаления или разрушения химических примесей в воде. Анодное окисление может использоваться для уничтожения цианидов и фенолов, аммиака и органических красителей.

Хотя озон использовался для обработки питьевой воды еще в 1903 году, его использование было очень ограничено, так как многие люди рассматривали его применение только в качестве дезинфицирующего средства и не сумели использовать озон с его высокой химической активностью в качестве окислителя. Иными словами, традиционная польза озона состояла скорее в уничтожении бактерий, чем в способствовании разрушению и/или удалению загрязняющих веществ.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения заключается в создании системы и способа очистки воды с использованием ионизатора и озонирования, которое производит эффективную ионизацию, разрушение или окисление неспособных к разложению загрязняющих веществ, таких как большинство тяжелых металлов и других неорганических загрязняющих веществ, множество органических материалов, включающих углеводороды, фонолы, ТГМ, цианиды, пестициды и прочее, без добавления каких-либо химических препаратов.

Другая цель настоящего изобретения заключается в создании ионизатора, способного создавать и ускорять выпущенные электроны большим напряжением высокой частоты и посредством этого ионизировать или разрушать неспособные к разложению вещества в воде.

Особенно полезной характеристикой предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения является то, что он может быть применен для большого количества типов обработки воды, включающих обработку питьевой воды или обработку сточных вод в бытовых условиях, промышленности или в животноводстве, но не ограниченных ими.

Для достижения этих и других целей и свойств, реализованных и широко описанных здесь, предлагаемая система содержит:

по меньшей мере один ионизатор, включающий:

цилиндрическую камеру, имеющую вход и выход для потока воды;

по меньшей мере один стержневой анод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой;

по меньшей мере один стержневой катод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой;

по меньшей мере одну цилиндрическую ячеистую сетку, коаксиальную с катодом и окружающую его;

озоновый генератор для производства озона и

озоновый смеситель для смешивания воды с озоном, подаваемым озоновым генератором.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ очистки воды, включающий:

a) использование по меньшей мере одного ионизатора, выполненного с возможностью создания электрического поля;

b) возбуждение ионизатора высоким напряжением с обеспечением создания электрического поля;

c) пропускание воды через ионизатор с обеспечением разрушения и окисления неспособных к разложению веществ;

а) фильтрацию осадка, образовавшегося на предыдущем этапе; и

е) введение озона в воду и их смешивание.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен ионизатор, используемый в системе очистки воды и содержащий:

цилиндрическую камеру, имеющую вход и выход для потока воды и выполненную с обеспечением протекания воды по траектории потока от входа к выходу;

по меньшей мере один стержневой анод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой;

по меньшей мере один стержневой катод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой; и

по меньшей мере одну цилиндрическую ячеистую сетку, коаксиальную с катодом и окружающую его,

причем оба конца цилиндрической камеры герметично закрыты крепежным приспособлением, выполненным с обеспечением водонепроницаемого соединения.

Как предшествующее общее описание, так и последующее подробное описание являются иллюстративными и предназначены для дополнительного объяснения предлагаемого изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи содействуют более полному пониманию изобретения и совместно с подробным описанием объясняют принципы предлагаемого изобретения.

На чертежах:

фиг.1 изображает блок-схему, иллюстрирующую вариант выполнения предлагаемой системы очистки воды;

фиг.2 изображает разрез предлагаемого ионизатора;

фиг.3 изображает в аксонометрии конфигурацию электродов предлагаемого ионизатора.

ЛУЧШИЙ СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение ниже подробно описано со ссылками на чертежи.

Система очистки воды, соответствующая предпочтительному варианту выполнения предлагаемого изобретения, объяснена со ссылкой на фиг.1. Как показано на этом чертеже, система очистки воды содержит ионизаторы 11, источники 17 питания, каждый из которых снабжает каждый ионизатор высоким напряжением высокой частоты, и первый фильтрующий блок 12 для отфильтровывания из воды загрязняющих веществ и осадка после прохождения воды через ионизаторы 11. Кроме того, система содержит озоновый смеситель 13 для введения озона в воду, озоновый генератор 14 для подачи озона в смеситель 13 и второй фильтрующий блок 15 для отфильтровывания загрязняющих веществ и осадка из воды, пропущенной через озоновый смеситель 13. Система также может содержать намагничивающее устройство 16 для подведения магнитного поля к воде для приведения ее в пригодное для питья состояние.

К ионизаторам 11 вода подается по трубе от источника воды (не показан на чертеже). Загрязнения, содержащие неспособные к разложению вещества, ионизируются и/или разрушаются в ионизаторе 11 под действием сильного электрического поля, создаваемого высоковольтным высокочастотным источником питания.

Со ссылками на фиг.2-3 подробно описан ионизатор, соответствующий предпочтительному варианту выполнения предлагаемого изобретения. Ионизатор 11 имеет цилиндрическую камеру 21 со входом 22 и выходом 23 для потока воды. Камера 21 выполнена с обеспечением протекания воды по траектории потока от входа 22 к выходу 23.

В камере 21 установлено множество электродов, в числе которых имеются стержневые катоды 26 и стержневой анод 27. Катоды 26 расположены вокруг анода 27. Хотя на чертеже изображен только один анод, возможно наличие множества анодов и множества катодов вокруг анодов. Каждый катод 26 окружен коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой 24, изготовленной из такого материала как керамика или стекло, так что катод 26 может быть защищен от непосредственного соприкосновения с водой. Вокруг каждого катода 26 расположена коаксиальная цилиндрическая ячеистая сетка 25.

Анод 27 также окружен коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой 28 из такого же материала, что и диэлектрическая оболочка 24, так что анод также может быть защищен от непосредственного соприкосновения с водой. Оба конца цилиндрической камеры 21 герметично закрыты крепежным приспособлением 30, выполненным с созданием водонепроницаемого соединения. Указанное приспособление 30 также может поддерживать электроды, диэлектрические оболочки и ячеистые сетки.

Высокое напряжение, необходимое для управления выпуском электронов катодами 26, вырабатывается источником 17 питания. Этот источник 17 содержит силовой трансформатор, предназначенный для повышения низкого напряжения переменного тока, которое может быть любым коммерчески доступным напряжением, таким как 100, 220, 380 или 440 В, до высокого выпрямленного напряжения, обычно между 10 и 25 Вт. Кроме того, источник 17 включает в себя цепь преобразования частоты, состоящую из выпрямителя и инвертора, такого как биполярный транзистор с изолированным входом (БТИВ), преобразующего входное напряжение в напряжение с высокой частотой в интервале от 40 до 60 кГц.

Проведя большое количество опытов, автор настоящего изобретения отметил, что для выпуска электронов требуется напряжение в пределах от 10 до 25 кВт. При фиксированном напряжении количество выпущенных электронов примерно пропорционально частоте, пока не будет достигнут верхний предел частоты. На практике диапазон частот для эффективного выпуска электронов обычно лежит между 40 и 60 кГц.

Когда источник 17 подает высокое напряжение на электроды, возбужденные электроны выпускаются из катодов, а именно через диэлектрическую оболочку 24, и ускоряются ячеистой сеткой, которая предпочтительно заземлена. Затем ускоренные электроны сталкиваются с молекулами воды, а также с загрязняющими веществами, ионизируют и/или разрушают их. Особенно загрязнения, которые являются неспособными к разложению веществами, такие как тяжелые металлы, хлорфторуглерод (CFC), ТГМ или другие, ионизируются вследствие бомбардировки ускоренными электронами.

При столкновении молекул воды с ускоренными электронами образуются ионы водорода. Ионы водорода осуществляют удаление азота из воды следующим образом:

H₂О+ускоренный е^{- 1}/₂H₂+ОН^-

2NO^-₃(из нитратов)+5H₂ N₂+4Н₂О+2OН^-

2QH^{- 1}/₂O₂+Н2O+2е^-

Растворенные тяжелые металлы, такие как Ni и Cd, также могут ионизироваться ускоренными электронами. Они могут объединяться с ионами гидроксидов (ОН)^- и затем образовывать хлопьевидный осадок. Растворенные органические вещества также могут ионизироваться и затем соединяться с ионами водорода.

Камера 21 на внутренней поверхности своей стенки может содержать алюминиевый слой 29 для удаления фосфатов из воды. Алюминиевый слой 29 предпочтительно образован на внутренней периферии внутренней поверхности камеры и имеет заданную ширину. Ширина алюминиевого слоя 29 может находиться в пределах от части длины камеры до ее полной длины.

Алюминиевый слой 29 ионизируется вследствие бомбардировки ускоренными электронами с образованием ионов алюминия Аl³⁺. Ионы алюминия могут быть объединены с ионами фосфатов из фосфатов.

РO^3-₄(из фосфатов)+Al³⁺ AlPO₄

Ионы алюминия также могут объединяться с маслами и глиной, взвешенными в воде, так как поверхностный заряд масел и глины является отрицательным.

Хотя при описании предпочтительного варианта изобретения указано, что каждый источник питания снабжает высоким напряжением один ионизатор, один источник питания может снабжать энергией множество ионизаторов, соединенных параллельно в соответствии с особенностями применения. Кроме того, в разных применениях системы количество ионизаторов можно выбирать в соответствии с необходимостью.

Нерастворимые вещества, образовавшиеся в ионизаторе 11, отделяют из воды фильтрованием. Таким образом, разного рода осадки, хлопья и отложения в воде, образовавшиеся в ионизаторе 11, могут быть удалены из нее при прохождении первого фильтрующего блока 12.

Затем воду подают в озоновый смеситель 13, расположенный за первым фильтрующим блоком 12. Озон вырабатывают в озоновом генераторе 14 и затем подают в озоновый смеситель 13.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения в качестве озонового генератора 14 может быть использован генератор, использующий коронный разряд. Озоновый генератор 14, использующий коронный разряд, вырабатывает озон, подвергая исходный газ воздействию очень сильного электрического поля. Исходным газом может быть профильтрованный воздух или кислород, вырабатываемый на оборудовании для получения кислорода, использующем технологию адсорбции при переменном давлении (PSA). Обычно сильное электрическое поле подводят от источника питания (не показан), который представляет собой соединение трансформатора, выпрямителя и инвертора, такого как биполярный транзистор с изолированным входом (БТИВ). Источник питания преобразует низкое переменное напряжение, которым может быть любое коммерчески доступное напряжение, такое как 100, 220, 380 или 440 В с частотой 50/60 Гц, в высокое выпрямленное напряжение 15 кВт с частотой 1000 Гц, достаточное для разрушения молекул кислорода. Высокое выпрямленное напряжение подают на два электрода, так что один действует как положительный электрод, тогда как другой - как отрицательный. Эти два электрода образуют подобие конденсатора и обычно представляют собой две параллельные пластины, концентрические цилиндры или имеют какую-нибудь другую геометрию, которая обеспечивает постоянное расстояние между электродами. Описание озонового генератора 14 также может быть иным для объяснения подобных конструкций, поэтому дополнительного описания его не приведено.

Озон, вырабатываемый генератором 14, подают в озоновый смеситель 13, который может быть линейным смесителем статического типа или смесителем другого типа. Отфильтрованную воду затем смешивают с озоном и оставляют в озоновом смесителе 36 на определенное время, предпочтительно на несколько минут.

Этап соединения воды с озоном приводит к окислению органических составляющих, коагуляции мелких частиц, что улучшает последующую фильтрацию и физически уничтожает большинство бактерий, вирусов и других микробов, присутствующих в воде. Таким образом, озон действует как мощный окислитель, флоккулирующий агент и дезинфектор без образования ядовитых побочных продуктов.

Второй фильтрующий блок 15 имеет пористые керамические фильтры, способные удалять мельчайшие частицы с размерами порядка от 1 до 0,01 мкм. В предпочтительном варианте выполнения второй фильтрующий блок 15 может иметь три фильтра, способных отфильтровывать частицы с размерами соответственно около 1, 0,1 и 0,01 мкм. Различные виды осадка, хлопьев и отложений, образовавшихся в озоновом смесителе 13, могут быть удалены из воды при ее пропускании через второй фильтрующий блок 15.

Хотя для работы предлагаемого изобретения это не является обязательным, было обнаружено, что установленный на выходе воды магнит способствует улучшению работы устройства. Намагничивающее устройство 16 имеет по меньшей мере один магнит, подводящий магнитное поле к отфильтрованной воде. После прохождения сильного электрического поля в ионизаторе 11 вода становится практически бесструктурной. Следовательно, после прохождения воды через магнитное поле намагничивающего устройства 16 она приобретает шестигранную, гексагональную структуру, которая структурно подходит для питья. Исследования показали, что текучие среды, окружающие здоровые клетки тела человека, также демонстрируют гексагональную молекулярную структуру. Гексагональная вода лучше для тела человека и его здоровья, так как она согласуется с текучими средами тела человека, создавая стабильность.

Таблица отображает результаты, полученные с использованием системы, соответствующей настоящему изобретению. Отмечено, что с применением настоящего изобретения концентрация загрязняющих веществ снижена, а чистота воды повысилась.

Для специалистов очевидно, что в предлагаемом устройстве может быть осуществлено множество модификаций и изменений без выходы за пределы сущности и объема изобретения. Настоящее изобретение охватывает модификации и изменения при условии, что они входят в объем прилагаемой формулы изобретения и составляют их эквиваленты.

Формула изобретения

1. Система очистки воды, содержащая по меньшей мере, один ионизатор, включающий цилиндрическую камеру, имеющую вход и выход для потока воды, по меньшей мере, один стержневой анод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой, по меньшей мере, один стержневой катод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой, по меньшей мере, одну цилиндрическую ячеистую сетку, коаксиальную с катодом и окружающую его, озоновый генератор для производства озона и озоновый смеситель для смешивания воды с озоном, подаваемым озоновым генератором.

2. Система очистки воды по п.1, в которой озоновым генератором является генератор, использующий коронный разряд.

3. Система очистки воды по п.1, в которой озоновый смеситель является линейным смесителем статического типа.

4. Система очистки воды по п.1, дополнительно содержащая фильтрующие средства, расположенные за ионизатором перед озоновым смесителем, для удаления отстоя, хлопьев и отложений, взвешенных в воде, обработанной в ионизаторе.

5. Система очистки воды по п.1, дополнительно содержащая фильтрующие средства, расположенные за озоновым смесителем, для удаления отстоя, хлопьев и отложений, взвешенных в воде, прошедшей через озоновый смеситель.

6. Система очистки воды по п.1, дополнительно содержащая магнитные средства, расположенные за озоновым смесителем, для подведения магнитного поля к воде, прошедшей через озоновый смеситель.

7. Система очистки воды по п.1, в которой в ионизатор подается высокое напряжение, составляющее примерно от 10 до 25 кВт, с частотой в пределах от 40 до 60 кГц.

8. Ионизатор, используемый в системе очистки воды, содержащий цилиндрическую камеру, имеющую вход и выход для потока воды и выполненную с обеспечением протекания воды по траектории потока от входа к выходу, по меньшей мере, один стержневой анод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой, по меньшей мере, один стержневой катод, окруженный коаксиальной цилиндрической диэлектрической оболочкой, и, по меньшей мере, одну цилиндрическую ячеистую сетку, коаксиальную с катодом и окружающую его, причем оба конца цилиндрической камеры герметично закрыты крепежным приспособлением, выполненным с созданием водонепроницаемого соединения.

9. Ионизатор по п.8, в котором на внутренней поверхности цилиндрической камеры сформирован алюминиевый слой.

10. Ионизатор по п.9, в котором алюминиевый слой сформирован на внутренней периферии внутренней поверхности камеры и имеет заданную ширину.

11. Ионизатор по п.8, в который подается высокое напряжение, составляющее примерно от 10 до 25 кВт, с частотой в пределах от 40 до 60 кГц.

12. Ионизатор по п.11, в котором ячеистая сетка заземлена.

13. Ионизатор по п.8, в котором материалом диэлектрической оболочки является керамика или стекло.

14. Способ очистки воды, включающий (a) использование, по меньшей мере, одного ионизатора, выполненного с возможностью создания электрического поля, (b) возбуждение ионизатора высоким напряжением с обеспечением создания электрического поля, (c) пропускание воды через ионизатор с обеспечением разрушения и окисления неразлагающихся веществ, (d) фильтрацию осадка, образовавшегося на предыдущем этапе, (e) введение озона в воду для их смешивания, и (f) фильтрацию осадка, образовавшегося на предыдущих этапах.

15. Способ по п.14, в котором на этапе (b) возбуждения ионизатора подают высокое напряжение, составляющее примерно от 10 до 25 кВт, с частотой в пределах от 40 до 60 кГц.

16. Способ по п.14, дополнительно включающий подведение к воде магнитного поля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3