Спосіб очищення води та апарат для його здійснення

Номер патенту: 101430

Опубліковано: 25.03.2013

Автор: Зоткін Сєргєй Валєр'євіч

Є ще 4 сторінки.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Спосіб очищення води, що включає перше охолоджування води в термостатованій робочій ємкості та подальше її поступове заморожування при температурі, вищій за температуру кристалізації рідкого розсолу з органічними та неорганічними домішками протягом часу, достатнього для повної кристалізації чистої води з домішками важкої води та формування рідкого розсолу з органічними та неорганічними домішками, злив вказаного розсолу, нагрівання маси льоду при поступовому підвищенні температури до значень, що перевищують температуру кристалізації важкої води, та витримці льоду при вказаній температурі до повного його розморожування, повторне охолоджування води до температури кристалізації важкої води та витримку її при вказаній температурі до повної кристалізації важкої води та злив готового продукту у вигляді очищеної талої води в споживчу ємність при її одночасній фільтрації через фільтр тонкого очищення, який відрізняється тим, що нагрівання, охолоджування, кристалізацію води і танення льоду здійснюють рівномірно зовні робочої ємкості за допомогою термоелектричних елементів, що контактують з її термопровідними стінками, в автоматичному режимі, температуру середовища усередині робочої ємкості при першому охолоджуванні води знижують до величини не нижче мінус 3 °С із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, що дорівнює інтервалу значень 0,1-0,3 °C/хвил., час циклу першої кристалізації води розраховують в автоматичному режимі програмними засобами з моменту її фазового переходу, визначуваного по підвищенню температури середовища у бічній стінці робочої ємкості не менше ніж на 0,5 °C, температуру середовища усередині робочої ємкості при першій кристалізації води знижують до величини не нижче мінус 4 °C із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, що дорівнює інтервалу значень 0,05-0,1 °C/хвил., температуру середовища усередині робочої ємкості при таненні льоду до повного його розплавлення після зливу розсолу підвищують до величини не вище плюс 10 °C із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, яка дорівнює інтервалу значень 0,16-0,18 °C/хвил., а температуру середовища усередині робочої ємкості при повторному охолоджуванні води та кристалізації важкої води знижують до величини не нижче плюс 2 °C із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, яка дорівнює інтервалу значень 0,1-0,3 °C/хвил.

2. Спосіб очищення води за п. 1, який відрізняється тим, що час очищення води від органічних та неорганічних домішок до зливу розсолу складає не більше 360 хвилин, а повного циклу отримання готового продукту у вигляді очищеної талої води не перевищує 480 хвилин.

3. Спосіб очищення води за п. 1, який відрізняється тим, що для тривалішого збереження біологічно активних властивостей очищеної талої води перед її зливом в споживчу ємність процес повторної кристалізації води підтримують при температурі не більш +2 °C протягом не менше 300 хвилин.

4. Спосіб очищення води за п. 1, який відрізняється тим, що вміст чистої талої води складає не менше 65 об. % від її початкового об'єму із зниженням загального вмісту неорганічних домішок не менше ніж в 2 рази.

5. Апарат для очищення води, що включає корпус (1), в якому розміщені термостатована робоча ємність (2) з кришкою (3) та похилим днищем (4) з отвором (5) для зливу води, засіб для заморожування води і танення льоду з блоком (21) керування, споживча ємкість (7) для прийому талої очищеної води та ємкість (8) для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію, трубопроводи (9 та 10) із засобом (11) для керування зливом води в останніх, приєднані до зливного отвору (5) похилого днища (4) робочої ємкості (2) для заморожування води і танення льоду, зливні патрубки (13 та 12), які встановлені відповідно над споживчою ємкістю (7) для прийому очищеної талої води та ємкістю (8) для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію, який відрізняється тим, що засоби для заморожування води і танення льоду виконані у вигляді термоелектричного модуля (6), що містить декілька термоелектричних елементів (14), розташованих зовні на бічній стінці робочої ємкості (2) для заморожування води і танення льоду, засіб (11) для керування зливом води в трубопроводах (9 та 10) містить встановлені попарно в останніх чотири нормально закритих клапани (15, 16, 17 та 18), а вказані трубопроводи (9 та 10) для зливу води додатково сполучені між собою трубопроводом (19) з фільтром (20) тонкого очищення води, ділянки з'єднання якого з трубопроводами (9 та 10) для зливу води розташовані між клапанами (15, 16, 17 та 18) засобу для керування зливом води у вказаних трубопроводах (9 та 10).

6. Апарат за п. 5, який відрізняється тим, що робоча ємкість (2) виконана прямокутної форми, співвідношення її висоти та довжини та ширини складає відповідно не менше 1,0 та не більше 1,2.

7. Апарат за п. 5, який відрізняється тим, що блок (21) керування засобом для заморожування води і танення льоду включає електронний блок (22) керування термоелектричним модулем (6), блок (23) керування клапанами (15-18) для зливу води, сполучений з вказаними клапанами (15-18), програмний автомат (24) та блок (25) вимірювання температури з датчиками (26, 27 та 28) температури, встановленими на дні (4), бічній стінці ємкості (2) для заморожування води і танення льоду та на радіаторах термоелектричного модуля (6), причому програмний автомат (24) підключений до блока (23) керування клапанами (15-18), блока (25) вимірювання температури та електронного блока (22) керування термоелектричним модулем (6).

Текст

Реферат: Винахід належить до очищення води в побутових умовах, спосіб очищення води включає перше охолоджування води в термостатованій ємкості, при якому температуру середовища знижують до величини не нижче 3 °С із швидкістю 0,1-0,3 °C/хвил., та подальше заморожування води із швидкістю 0,05-0,1 °C/хвил. до температури не нижче мінус 4 °C для повної кристалізації чистої води з домішками важкої води та формування рідкого розсолу з домішками. Далі проводять злив розсолу, нагрівання маси льоду при поступовому підвищенні температури із швидкістю 0,16-0,18 °C/хвил. до температури не вище плюс 10 °C та витримку льоду до повного його розморожування. Повторне охолоджування води здійснюють із швидкістю 0,1-0,3 °C/хвил. до температури не нижче плюс 2 °C і витримують важку воду до повної її кристалізації. Очищену воду зливають через фільтр. Апарат для очищення води включає корпус з термостатованою робочою ємністю з кришкою та похилим днищем з отвором для зливу води, термоелектричний модуль для заморожування води і танення льоду з блоком керування, споживчу ємкість для прийому талої очищеної води та ємкість для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію. Апарат містить трубопроводи із засобом керування зливом води, приєднані до зливного отвору похилого днища робочої ємкості. Трубопроводи додатково сполучені між собою трубопроводом з фільтром тонкого очищення води. UA 101430 C2 (12) UA 101430 C2 UA 101430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до способів та пристроїв для очищення води в побутових умовах, поліпшуючим її біологічні властивості шляхом видалення розчинних в ній канцерогенних та мутагенних речовин та газів, а також істотно зменшити вміст в ній важких ізотопів водню (дейтерію та тритію) шляхом фазового розділення початкової води з домішками, методом кристалізації виморожуванням в замкнутому об'ємі на чисту воду та воду з домішками та може бути використаний в побуті, харчовій промисловості та медицині. Відомо, що реакція біосистем при дії на них води (Н 2O) може змінюватися залежно від кількісних та якісних змін ізотопного складу Н2О. Застосування води з підвищеною концентрацією важких ізотопів, зокрема дейтерію, викликає виражені токсичні ефекти на рівні організму, обмежуючи можливість її використання в лікувально-профілактичних цілях [Kushner D.J., Baker F., Dunstall T.G. Can. J.Physiol. Pharmacol. 1999, Feb. 77(2): 79-88]. В той же час на різних біооб'єктах зареєстрована позитивна біологічна активність вод, отриманих за допомогою різних технологічних процесів, що відносяться до категорії ізотопно-легких, з пониженою в тій чи іншій мірі, в порівнянні з початковою концентрацією дейтерію [Somlyai G. Let's Defeat Cancer !. Akademiai Kiado, Budapest, 2001.]. Дані літератури свідчать й про біологічну ефективність снігової або талої води, що виражається в її стимулюючій дії на зростання та розвиток рослин [Родімов Б.Н. Дєйствіє снєговой води на живиє організми. «Сельскохозяйственное производство Сибири и Дальнего Востока». Омск 4, 1965 г., стр. 56-57]. Збільшення концентрації важких ізотопів в організмі людини призводить до зміни нормального ходу біохімічних процесів, що знижує функціональні можливості організму. В результаті виникає 1 16 необхідність в підвищенні вмісту Н2 O в звичайній питній воді. Відомий спосіб обробки води, що включає отримання з початкової води льоду, його відтавання та збирання талої води. Причому отримання льоду здійснюють частковим (на 2/3 об'єму) заморожуванням початкової води [Денисов И., Матвеев С. Пейте чистую воду // ж. "Работница" , М. - 1991, № 11, с. 34-36]. Завдяки тому, що процес заморожування води припиняють до замерзання всього її об'єму, а залишок, що не перейшов в лід, зливають, у воді, отриманій при таненні "крижаного стакана", концентрація іонів важких металів та деяких ізотопів зменшена. Проте, цей спосіб не дозволяє знизити вміст в талій воді молекул важкої (тритієвої та дейтерієвої) води, які більшою мірою разом з молекулами легкої (протієвої) води переходять в лід, Крім того, згаданий спосіб не дозволяє ефективно структурувати воду та не забезпечує умов, що дозволяють в процесі його здійснення активно впливати на властивості отримуваної води. Для здійснення відомого способу використовують пристрій, що є побутовим або промисловим холодильником (морозильником), що містить корпус, в якому розміщені пристрій для заморожування у вигляді камери та ємкість для початкової води [Политехнический словарь под редакцией акад. Н.И. Артоболевского, М. , 1977, с. 546]. Недоліками відомого способу та пристрою є те, що вони не забезпечують розділення води на легку та важку з видаленням останньої та не дозволяють істотно поліпшити її біологічні властивості. Відомий спосіб поліпшення якості питної води виморожуванням, що полягає в її заморожуванні, дробленні льоду та його таненні, відрізняється тим, що заморожування води проводять до 70-90% від її об'єму, танення льоду здійснюють шляхом теплоізоляції його бічних та нижньої поверхонь до утворення 30-55% від об'єму талого стоку з подальшим його видаленням (Патент РФ №2077160, МПК C02F1/22, опубл. 10.04.1997 р.). Відомі способи отримання високочистої питної води, що включають стадії видалення нерозчинених механічних домішок, видалення хлору, зм'якшування, видалення органіки, дегазації, недоліком яких є отримання питної води з невисоким ступенем очищення, яка, до того ж, не має цілющих властивостей (ЕР 0249049, МПК З 02 F 9/00, 1987; ЕР 0312079, МПК З 02 F 9/00, 1989). Відомі також способи отримання високочистої питної води, що має цілющі властивості, в яких, окрім ряду стадій по очищенню води, є стадія заморожування води (патент СРСР № 1799367, МПК З 02 F 9/00, 1991, патент РФ №2010772, МПК З 02 F 9/00, 1992, патент РФ № 2031085, кл З 02 F 9/00. 1992). Відомий спосіб промислового очищення води шляхом її заморожування та пристрій для його здійснення (Любарский М. Осадки природных вод и методы их обработки. М.: Стройиздат, 1980. с. 98-99, рис. 22). Пристрій включає резервуар для розміщення води та технічні засоби для її охолоджування (заморожування) та нагрівання (розморожування). До недоліків приведених вище способів можна віднести невисокий ступінь очищення води, що обумовлене відсутністю оптимально підібраних режимів (швидкість та час, величини температурних режимів і тому подібне) заморожування та відтавання. 1 UA 101430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомий інший спосіб (Совет на всякий случай. М.: газета "Рабочая трибуна", N 21 (321), 30.01.91) очищення питної води в побуті шляхом її заморожування та пристрій (Патент РФ №2058262, МПК З 02 F 1/22, опубл. 20.04.96) для його здійснення. Спосіб включає заливання води в ємність, перше розміщення ємкості в морозильній камері, охолоджування води до утворення на її поверхнях дейтерієвого шару льоду завтовшки 1-3 мм, витягання ємкості з холодильної камери та видалення шару дейтерієвого льоду, вторинне розміщення ємкості в морозильній камері та витримка до утворення чистого шару льоду та не доведеної до замерзання неочищеної, хімічно забрудненої, води (залишкового розсолу), витягання ємкості з морозильної камери та відділення чистого льоду від залишкового розсолу, розморожування чистого льоду. В процесі вторинного заморожування початкова вода, що містить домішки у вигляді розчинених солей, органічних речовин та отрутохімікатів, розділяється на прісний чистий лід та залишковий розсіл, який зосереджується в центральній зоні заморожуваного первинного об'єму води. Відомий спосіб очищення води має наступні недоліки: - наявність двох окремих стадій заморожування та двох окремих стадій відділення льоду від води підвищує трудомісткість її очищення; незручне видалення дейтерієвої (важкої) води, пов'язане з витяганням ємкості з морозильної камери, переливанням незамерзлої води в нову (тимчасову) ємність, видаленням шару першого льоду (завтовшки 1-3 мм), що утворився, на верхній поверхні води, дні та у бічних стінок основної ємкості, переливання води з тимчасової ємкості в основну, установка її в морозильну камеру; використовуване іноді на ранній стадії видалення шару першого льоду тільки з однієї верхньої поверхні, без переливання води в тимчасову ємність, збільшує кількість дейтерієвої води, що залишилася, в очищеній воді. Враховуючи ці недоліки, зовні "простий" спосіб очищення води шляхом її заморожування не набув поширення в побутових умовах, хоча проблема отримання "стакану чистої питної води" украй актуальна. Відомий пристрій (Патент РФ №2058262, МПК З 02 F 1/22, опубл. 20.04.96) для очищення питної води шляхом її заморожування включає ємкість (резервуар) для розміщення води, верхню кришку з виїмкою для розміщення шару льоду первинного заморожування, дно з виїмкою для розміщення води та шару льоду вторинного заморожування, нагрівальні елементи та замок, що забезпечує притиск кришки й дна до резервуару, ущільнювачі між кришками та резервуаром. Недоліки відомого пристрою для очищення води в побуті: складність конструкції; недостатня кількість дейтерієвого льоду, що видаляється, оскільки це передбачається робити тільки з однієї верхньої поверхні заморожуваної води; трудність видалення дейтерієвого льоду навіть тільки з однієї верхньої поверхні, оскільки процес утворення льоду йде по всій внутрішній поверхні ємкості; трудність розділення чистого льоду та залишкового розсолу за допомогою знімного дна з глибокою виїмкою, оскільки процес утворення вторинного льоду йде не зверху вниз, а по всій поверхні. Відомий водоочисник для отримання талої питної води, який включає розташовані послідовно в одній подовжній судині зону заморожування води з кільцевою морозильною камерою, зону витіснення домішок з фронту льоду та концентрації домішок у вигляді розсолу, та зону переходу води з твердого стану в рідкий з кільцевим нагрівальним елементом (патент РФ №23412817, МПК C02F 1/22, опубл. 20.12.2007). Водоочисник має роздільні патрубки для виведення домішок у вигляді розсолу й талої питної води, розташовані в нижній частині судини, та додатково забезпечений приводним пристроєм переміщення стрижня замороженої води, змонтованим за морозильною камерою та роз'єднуючим пристроєм, розміщеним по центру стрижня замороженої води та виконаним у вигляді труби. Роз'єднуючий пристрій має на вході кільцеву ріжучу частину, а на виході - профіль, що розширюється, створюючий вихідний патрубок для видалення домішок у вигляді розсолу. Проте даний пристрій складний в конструктивному виконанні, має великі габарити морозильної камери, вагу, що утрудняє його використання в побутових умовах. Відомий водоочисник для отримання талої питної води в промислових масштабах з морської води, який включає розташовані послідовно в одній подовжній судині зону заморожування води з кільцевою морозильною камерою, зону витіснення домішок з фронту льоду та концентрації домішок у вигляді розсолу та зону переходу води з твердого стану в рідкий з кільцевим нагрівальним елементом, роздільні патрубки для виведення домішок у вигляді розсолу і талої питної води, розташовані в нижній частині судини (Патент Франції №2858607, МПК C02F 1/22, опубл. 11.02.2005). Проте даний пристрій також має великі габарити морозильної камери, загальну вагу установки, призначеної для опріснення води в промислових масштабах, що утрудняє його використання в побутових умовах. Крім того в пристрої не передбачена можливість видалення 2 UA 101430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 важкої води (дейтерію та тритію), що знижує чистоту продукту та його корисні властивості. Відомий апарат для очищення води, що включає ємність з кришкою та конічним днищем з отвором для зливу води та термоелектричним модулем для заморожування води і танення льоду, ємкість для прийому талої очищеної води та ємкість для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію, блоком керування термоелектричним модулем, трубопроводами для зливу води, приєднаними одними кінцями до зливного отвору конічного днища ємкості для заморожування води і танення льоду, а інші кінці цих трубопроводів забезпечені клапанами, під якими встановлені відповідно ємкість для прийому очищеної талої води та ємкість для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію (Патент Японії №5123668, МПК З 02 F 1/22, F25 В 21/02, опубл. 21.05.1993 р.). Проте такий апарат має в термоелектричному модулі один елемент, охолоджуючий або нагріваючий, який розташований з одного боку ємкості, що не дозволяє рівномірно за об'ємом заморожувати воду у вигляді осесиметричного тороїдального тіла або рівномірно відтавати лід, унаслідок чого знижується якість очищення води від шкідливих домішок. У даному апараті система зливу очищеної (талої) води та забрудненої домішками в ємкості не дозволяє швидко готувати пристрій до роботи між циклами та не забезпечує його роботу в автоматичному режимі, що знижує зручність користування апаратом. Крім того, в пристрої не передбачена можливість видалення важкої води (дейтерію та тритію), що знижує чистоту продукту та його корисні властивості. Найбільш близьким аналогом способу (прототипом) є спосіб очищення води в ємкості (Патент РФ №2274607, МПК C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 р.), що включає відведення тепла за допомогою розміщеного в ємкості теплообмінника, розміщеного у верхній частині ємкості приблизно на 1/3÷2/3 висоти стовпа рідини від верхніх її шарів на рівновіддаленій відстані від центру та бічних поверхонь ємкості, забезпечує різницю температур в межах 1÷(-1)°С, яка обумовлює процес локально-об'ємної кристалізації при безперервному поступовому багатоступінчастому наморожуванні кристалів льоду навколо теплообмінника. Для очищення води проводять безперервне поступове багатоступінчате наморожування кристалів льоду навколо теплообмінника по масі не більш 50÷70% від загальної маси початкової води, злив з ємності незамерзлої води з домішками, повне розморожування льоду та повторне часткове наморожування до невеликих об'ємів в межах 3÷7% від її маси та злив талої води для її споживання з одночасною фільтрацією через фільтр тонкого очищення. Злив води з домішками та злив талої води після розморожування проводять в різних по висоті ємкості перетинах та по різних каналах, при цьому злив води з домішками проводять через канал, виконаний в самій нижній основі дна ємкості, а злив талої води проводять через канал, розташований на 0,5÷2 см вище за дно ємкості. Розморожування льоду проводять в два етапи, при цьому на першому етапі розморожують до 90÷95% льоду від його загального об'єму, що містить невеликий відсоток важких ізотопів водню, а на другому етапі розморожують лід, що залишився на теплообміннику від початкової кристалізації та який містить великий відсоток важких ізотопів водню, дейтерію й тритію. Причому, розморожування льоду проводять шляхом поступового підвищення температури до стану пароутворення та конвекційного переміщення нагрітих до температури не вище за 40÷80°С шарів пари. Розморожування льоду проводять шляхом нагрівання екранованого кабелю, намотаного на бічну поверхню ємкості. Найбільш близьким аналогом пристрою (прототипом) є установка для очищення води (Патент РФ №2274607, МПК C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 р.), що містить ємкість для неочищеної води, встановлений в ємкості теплообмінник для відведення тепла та наморожування льоду, засобу для нагрівання та відтавання льоду, морозильний агрегат з системою його охолоджування, трубопровід з вентилем для зливу води з домішками, трубопровід з вентилем для зливу талої води, який відрізняється тим, що теплообмінник виконаний за формою багатоступінчатого змійовика, розташованого у верхній частині ємкості по висоті приблизно 1/3÷2/3 висоти ємкості на відстані 2÷5 см відносно верхньої основи ємкості та симетрично відносно її бічної поверхні із зазором, що забезпечує можливість об'ємного наморожування льоду у воді навколо змійовика до розміру, що не перекриває при кристалізації льодом цей зазор, ємкість забезпечена термоізоляційною кришкою та ущільненням, трубопровід для зливу води з домішками встановлений в самому перетині конічного дна ємкості, трубопровід для зливу талої води встановлений внизу вище за конічне дно ємкості на 0,5÷2 см. Установка забезпечена фільтром тонкого очищення з водовідвідною трубкою з вентилем та насосом для циркуляції та перекачування талої води під тиском через фільтр тонкого очищення та блоком керування в ручному або автоматичному режимі. Основними недоліками прототипів способу та пристрою є недостатня якість очищення води 3 UA 101430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 унаслідок того, що в пристрої теплообмінник розміщений усередині робочої ємкості, що не дозволяє рівномірно за об'ємом заморожувати воду у вигляді осесиметричного тороїдального тіла або рівномірно відтавати лід, унаслідок чого знижується якість очищення води від шкідливих домішок та дейтерію. Вказана установка має великі габарити та вагу морозильного агрегату з системою його охолоджування, а частина корисного об'єму в ємкості для заморожування води зайнята теплообмінником, виконаним у вигляді змійовика, що також підвищує габарити пристрою та утрудняє його використання в побутових умовах. Технічним результатом винаходу, що заявляється, є створення такого способу та апарату для очищення води, які підвищують якість очищення води від неорганічних солей, органіки та шкідливих домішок важкої води (дейтерію та тритію), знижують час отримання готового продукту, вагу, габарити пристрою та покращують зручність користування вказаним пристроєм шляхом повної автоматизації процесу отримання талої очищеної води. Вказаний технічний результат досягається тим, що в способі очищення води, який включає перше охолоджування води в термостатованій робочій ємкості та подальше її поступове заморожування при температурі вище за температуру кристалізації рідкого розсолу з органічними та неорганічними домішками протягом часу достатньому для повної кристалізації чистої води з домішками важкої води та формування рідкого розсолу з органічними та неорганічними домішками, злив вказаного розсолу, нагрівання маси льоду при поступовому підвищенні температури до значень, що перевищують температуру кристалізації важкої води та витримці льоду при вказаній температурі до повного його розморожування, повторне охолоджування води до температури кристалізації важкої води та витримці її при вказаній температурі до повної кристалізації важкої води та злив готового продукту у вигляді очищеної талої води при її одночасній фільтрації через фільтр тонкого очищення, згідно винаходу, нагріваючи, охолоджування, кристалізацію води і танення льоду здійснюють рівномірно зовні ємкості за допомогою термоелектричних елементів, що контактують з її термопровідними стінками, в автоматичному режимі, температуру середовища усередині робочої ємкості при першому охолоджуванні води знижують до величини не нижче мінус 3°С із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості рівною інтервалу значень 0,1-0,3°С/хвил., час циклу першої кристалізації води розраховують в автоматичному режимі програмними засобами з моменту її фазового переходу, визначуваного по підвищенню температури середовища у бічної стінки робочої ємкості не менше ніж на 0,5°С, температуру середовища усередині робочої ємкості при першій кристалізації води знижують до величини не нижче мінус 4,0°С із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості рівною інтервалу значень 0,05-0,1°С/хвил., температуру середовища усередині робочої ємкості при таненні льоду до повного його розплавлення після зливу розсолу підвищують до величини не вище плюс 10°С із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, що дорівнює інтервалу значень 0,160,18°С/хвил., а температуру середовища усередині робочої ємкості при повторному охолоджуванні води та кристалізації важкої води знижують до величини не нижче плюс 2°С із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, що дорівнює інтервалу значень 0,1-0,3°С/хвил. Час очищення води від органічних та неорганічних домішок до зливу розсолу складає не більше 360 хвилин, а повного циклу отримання готового продукту у вигляді очищеної талої води не перевищує 480 хвилин. Для тривалішого збереження біологічно активних властивостей очищеної талої води перед її зливом в споживчу ємність процес повторної кристалізації води підтримують при температурі не більш +2°С протягом не менше 300 хвилин. Вміст чистої талої води складає не менше 65 про.% від її початкового об'єму із зниженням загального вмісту неорганічних домішок не менше ніж в 2 рази. Вказаний технічний результат досягається також тим, що в апараті для очищення води, що включає робочу ємність з кришкою та похилим днищем з отвором для зливу води, засіб для заморожування води і танення льоду з блоком керування, ємкість для прийому талої очищеної води та ємкість для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію, трубопроводи із засобом для керування зливом води в останніх, приєднані до зливного отвору похилого днища робочої ємкості для заморожування води і танення льоду, зливні патрубки яких встановлені відповідно над ємкістю для прийому очищеної талої води та ємкістю для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію, згідно винаходу, засіб для заморожування води і танення льоду виконаний у вигляді термоелектричного модуля, що містить декілька термоелектричних елементів, розташованих зовні на бічних стінках робочої ємкості для заморожування води і танення льоду, засіб для керування зливом води в трубопроводах містить встановлені попарно в останніх чотири клапани, а вказані трубопроводи для зливу води 4 UA 101430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 додатково сполучені між собою трубопроводом з фільтром тонкого очищення води, місця з'єднання якого з трубопроводами для зливу води розташовані між клапанами засобу для керування зливом води у вказаних трубопроводах. Блок керування засобами для заморожування води і танення льоду включає електронний блок керування термоелектричним модулем, блок керування клапанами для зливу води, сполучений з вказаними клапанами, програмний автомат та блок вимірювання температури з датчиками температури, встановленими на дні, бічній стінці ємкості для заморожування води і танення льоду та на радіаторах. термоелектричного модуля. Причому, програмний автомат підключений до блоку керування клапанами, блоку вимірювання температури та електронного блоку керування термоелектричним модулем. На кресленні Фіг. 1 зображена схема апарату, що заявляється, для очищення води. На Фіг.2 приведений графік температурно-тимчасового циклу отримання очищеної талої води. Опис апарату для реалізації способу очищення води. Апарат включає корпус 1, в якому розміщені робоча ємність 2 з кришкою 3 та похилим днищем 4 з отвором 5 для зливу води, термоелектричний модуль 6 для заморожування води і танення льоду, ємкість 7 для прийому талої очищеної води та ємкість 8 для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію. Трубопроводи 9 та 10 містять засіб 11 для керування зливом води та приєднані до отвору 5 похилого днища 4 робочої ємкості 2. Зливні патрубки 12 та 13 трубопроводів 9 та 10 встановлені відповідно над ємкістю 7 для прийому очищеної талої води та ємкістю 8 для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію. Термоелектричний модуль 6 містить декілька термоелектричних елементів 14, розташованих зовні на бічній поверхні робочої ємкості 2 для заморожування води і танення льоду. Засіб 11 для керування зливом води в трубопроводах 9 та 10 містить встановлені попарно в останніх чотири нормально закритих клапана 15, 16, 17 та 18, а вказані трубопроводи 9 та 10 для зливу води додатково сполучені між собою трубопроводом 19 з фільтром 20 тонкого очищення води. Місця з'єднання трубопроводу 19 з трубопроводами 9 та 10 для зливу води розташовані відповідно між нормально закритими клапанами 15, 16, 17 та 18 засобів 11 для керування зливом води у вказаних трубопроводах. Крім того, апарат має блок 21 керування, що включає електронний блок 22 керування термоелектричним модулем 6, сполучений з його елементами 14, блок 23 керування клапанами 15-18, сполучений з останніми, програмний автомат 24 та блок 25 вимірювань температури з датчиками 26, 27 та 28 температури, встановленими відповідно на дні та бічній стінці ємкості 2, а також на радіаторах термоелектричного модуля 6. Програмний автомат 24 підключений до блоку 23 керування клапанами, блоку 25 вимірювань температури та блоку 22 керування термоелектричним модулем 6. У варіанті виконання апарату для - побутових потреб ємкості 2, 7 та 8 мають об'єм 2 літри. Вага приладу з порожніми ємкостями складає не більше 5 кг, споживана потужність - 350 Ватт, а габарити не більше 300x320x270 мм. Опис способу очищення води. Спосіб очищення води здійснюють за допомогою апарату (Фіг. 1). У термостатовану робочу ємкість 2 об'ємом, наприклад, 2 л заливають 1,5 л водопровідної води. Всі процеси: нагрівання, охолоджування, кристалізацію води і танення льоду здійснюють рівномірно зовні робочої ємкості за допомогою термоелектричних елементів, що контактують з її термопровідними стінками, 14 в автоматичному режимі за допомогою електронного блоку 21 керування та алгоритму (програми) послідовності виконання операцій з очищення води. Графік температурно-тимчасового циклу приведений на Фіг. 2. При включенні термоелектричного модуля 6 на режим охолоджування відбувається перше охолоджування води. Температуру середовища усередині робочої ємкості 2 при першому охолоджуванні води знижують до величини не нижче мінус 3°С із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості рівною інтервалу значень 0,1÷0,3°С/хвил. (лінія 1, Фіг. 2). Далі здійснюють процес першої кристалізації води. Час циклу першої кристалізації води розраховують в автоматичному режимі програмними засобами з моменту її фазового переходу, визначуваного за підвищенням температури середовища у бічної стінки робочої ємкості не менше ніж на 0,5°С. Температуру середовища усередині робочої ємкості при першій кристалізації води знижують до величини не нижче мінус 4,0°С (температура вище за температуру кристалізації рідкого розсолу з органічними та неорганічними домішками) із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості рівною інтервалу значень 0,05÷0,1°С/хвил. (лінія 2, Фіг. 2). Протягом часу близько 360 хвилин досягається повна кристалізація чистої води у вигляді тороїда з домішками важкої води та формування рідкого розсолу усередині вказаного тіла з органічними та неорганічними домішками. Протягом декількох хвилин розсіл об'ємом від 300 до 550 мл зливають у відведену для нього ємність 8. Лід, що залишився в робочій ємкості, нагрівають 5 UA 101430 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 шляхом перемикання термоелектричних елементів 14 на режим нагрівання. Температуру середовища усередині робочої ємкості при таненні льоду до повного його розплавлення після зливу розсолу підвищують до величини не вище плюс 10°С із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості рівною інтервалу значень 0,16÷0,18°С/хвил. (лінія 3, Фіг. 2). Нагрівання маси льоду при поступовому підвищенні температури здійснюють близько 85 хвилин до повного його розморожування. Потім проводять повторне охолоджування води із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості рівною інтервалу значень 0,1÷0,3 °С/хвил. до температури кристалізації важкої води (не нижче плюс 2°С) та витримку її при вказаній температурі до повної кристалізації важкої води протягом не більше 45 хвилин (лінія 4, Фіг. 2). Потім проводять протягом декількох хвилин злив готового продукту у вигляді очищеної талої води в кількості 950-1200 мл в споживчу ємність 7 при її одночасній фільтрації через фільтр тонкого очищення. Далі апарат включають на декілька хвилин на режим нагрівання до температури не вище +10°С, при якому розплавляються кристали важкої води, що залишилися в ємкості 2 (лінія 5, Фіг. 2). Залишок з домішками важкої води в кількості 50-100 мл зливають в ємність 8. Повний цикл отримання готового продукту у вигляді очищеної талої води не перевищує 480 хвилин. Вміст чистої талої води складає не менше (65-80) об.% від її початкового об'єму із зниженням загального вмісту неорганічних домішок не менше ніж в 2 рази. За необхідності для тривалішого збереження біологічно активних властивостей очищеної талої води роботу апарату програмують таким чином, що перед її зливом в споживчу ємність 7 процес повторної кристалізації води підтримується при температурі не більш +2°С протягом не менше 300 хвилин. Опис роботи апарату для очищення води. 1. Пристрій включають в електричну мережу. 2. Відкривають кришку 3 та в робочу ємність 2 заливають 1,5-1,7 літра води (питна, водопровідна за ГОСТом). Кришку 3 закривають. 3. На пульті керування (на кресленні не показаний) включають кнопку «Мережа», сполучену з електронним блоком 21 керування. Спалахує індикація мережі. 4. Натискають кнопку «Почати процес». Програмний автомат 24 в електронному блоці керування 21 виконує наступний алгоритм роботи пристрою: 4.1. Блок керування клапанами 23 відкриває клапани 15 та 18 (клапани 16, 17 закриті). Відбувається промивка фільтру 20 та трубопроводів 9, 10 та 19 водою в об'ємі 20-50 мл з робочої ємкості 2 та злив брудної води в ємність 8. 4.2. Клапани 15 та 18 закриваються. 4.3. Електронний блок 22 керування термоелектричним модулем 6 включає термоелектричні елементи 14 в режим охолоджування. Електронний блок керування 21 включає блок 25 вимірювань температури за допомогою датчиків 26, 27 та 28 температури, встановлених відповідно на дні та бічній стінці ємкості 2, а також на радіаторах термоелектричного модуля 6. 4.4. У ємкості 2 відбувається охолоджування води до температури кристалізації. Після цього йде контроль фазового переходу - спонтанного підвищення температури на 0,5-1,0°С за 1 хвилину, тобто при різкому підвищенні температури на 0,5-1,0°С фіксується фазовий перехід. Далі здійснюється процес кристалізації (заморожування води) - утворення льоду та охолоджування отриманого льоду до мінус 4-5 °С протягом 4-5 годин. Процес льодоутворення відбувається в напрямку від стінок робочої ємкості 2, охолоджуваних термоелектричними елементами 14 до центру. Відведення тепла від термоелектричних елементів 14 забезпечується за допомогою радіаторів, що обдуваються вентиляторами (на кресленні не позначені). Розчинені у воді домішки (солі металів, органічні забруднення і так далі) в процесі утворення льоду витісняються в об'єм, розташований по центру робочої ємкості 2, тим самим відбувається утворення «розсолу» - води з підвищеним вмістом солей та різних забруднювачів. Відповідно до загальновідомих даних температура замерзання даного «розсолу» складає мінус 6-7°С. 4.5. Блок 23 керування клапанами відкриває клапани 17, 18 (клапани 15, 16 закриті). Відбувається злив «розсолу» з робочої ємкості 2 по трубопроводу 10 в ємність 8 протягом 2-3 хвилин. Клапани 17, 18 закриваються. 4.6. Блок 22 керування термоелектричним модулем 6 включає термоелектричні елементи 14 в режим нагрівання. Відбувається підвищення температури льоду в робочій ємкості 2 до температури 0°С, при якій наступає плавлення льоду та подальше нагрівання отриманої очищеної талої води з домішкою важкої води до температури +10°С після закінчення часу до 85 хвилин. 4.7. Далі блок 22 керування термоелектричним модулем 6 включає термоелектричні 6 UA 101430 C2 5 10 15 20 25 30 елементи 14 в режим охолоджування. Відбувається пониження температури води в робочій ємкості 2 до температури +2°С (режим стабілізації). Потім блок 22 керування термоелектричним модулем 6 включає термоелектричні елементи 14 в режим термостата для підтримки заданої температури очищеної талої води в робочій ємкості 2 в діапазоні плюс 2-3°С. Важка вода (D20), що знаходиться у складі талої води, має температуру замерзання +3,8°С, таким чином, в процесі підтримки температури талої води в діапазоні +2 - +3°С, відбувається процес кристалізації важкої води з утворенням дрібних кристалів важкої води. 4.8. Після закінчення 45 хвилин на електронному блоці 21 керування спалахує напис «Процес закінчений. Тала вода готова».Після загоряння напису протягом 300 хвилин може бути реалізований злив талої води та виключення пристрою. 5. Натискають кнопку «Тала вода». Блок 23 керування клапанами відкриває клапани 16, 17 (клапани 15, 18 закриті), відбувається злив талої води по трубопроводах 9, 10 через фільтр 20 в ємність 7 протягом часу 3-5 хвилин. Проходження талої води через фільтр 20 забезпечує осадження на нім найдрібніших кристалів важкої води (D20). Блок 23 керування клапанами закриває клапани 16, 17. 6. Далі блок 22 керування термоелектричним модулем 6 включає на короткочасне нагрівання термоелектричні елементи 14 при якому нагріваються бічні стінки ємкості 2 та розплавляються кристали важкої води. Блок 23 керування клапанами відкриває клапани 17, 18 для зливу залишків води в ємність 8. Блок 22 керування термоелектричним модулем 6 вимикає термоелектричні елементи 14. Електронний блок 21 керування вимикає блок 25 вимірювань температури та вимикається сам. 7. Якщо протягом 300 хвилин після загоряння напису «Процес закінчений. Тала вода готова» не проведений злив талої води та відключення пристрою, то програмний автомат 24 підтримує в робочій ємкості температуру плюс 2°С (для збереження структури талої води) та після закінчення вказаного вище часу подає сигнал на електронний блок 21 керування, який видає команду блоку 23 керування клапанами. При цьому відкриваються клапани 17, 18 (клапани 15, 17 закриті). Відбувається злив талої води в споживчу ємність 7. 8. Клапани 17, 18 закриваються, відключається блок 23 керування клапанами, відключається блок 22 керування термоелектричним модулем 6, відключається блок 25 вимірювань температури, відключається програмний автомат 24, відключається електронний блок 21 керування. Загальний час протікання процесу отримання талої води до 480 хвилин. 9. Кнопку «Мережа» вимикають. У таблиці приведені дані досліджень якості очищення води на вміст неорганічних домішок, проведених в аналітичному центрі Інституту геології та мінералогії Сибірського відділення РАН. 35 Таблиця Результати дослідження якості очищення води № Характеристика зразка зразка 1 Вода водопровідна 2 Очищена вода 3 Вода з природного джерела 4 Очищена вода Вимоги ГОСТ 2874-82 (Вода питна) 40 45 Калій 930 340 930 630 20000 Масова концентрація, мкг/л Натрій Кальцій Магній 5700 36000 6000 2000 16200 3100 12000 93000 12900 5200 60000 9000 200000 130000 65000 Кремній 2000 1000 10000 Аналіз Таблиці 1 показує, що після очищення води способом та апаратом, що заявляються, вміст неорганічних домішок знизився. Вміст кальцію зменшився в 1,8-1,5 рази, магнію - в 2 рази, а калію - в 1,7-2,7 разу. Вміст натрію зменшився більш ніж в 2 рази. Таким чином, результати аналізу підтверджують значний ступінь очищення води від неорганічних домішок. Таким чином, заявлені спосіб та апарат для очищення води в порівнянні з відомими аналогами та прототипом підвищують якість очищення води від шкідливих домішок та важкої води (дейтерію та тритію) за рахунок концентрації органічних та неорганічних домішок, що видаляються, в приосьовій зоні робочої ємкості, уловлювання кристалів важкої води за допомогою фільтру тонкого очищення та забезпечення можливості зберігання очищеної талої води при +2°С, покращують зручність користування вказаним пристроєм за рахунок використання термоелектричних елементів, виконання його компактним, невеликим за вагою та забезпечення можливості роботи в автоматичному режимі всього процесу очищення води. Автоматизація процесу очищення води дозволяє також скоротити час отримання готового 7 UA 101430 C2 продукту за рахунок оптимальних підібраних режимів (швидкість та час, температура і тому подібне) заморожування та відтавання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Спосіб очищення води, що включає перше охолоджування води в термостатованій робочій ємкості та подальше її поступове заморожування при температурі, вищій за температуру кристалізації рідкого розсолу з органічними та неорганічними домішками протягом часу, достатнього для повної кристалізації чистої води з домішками важкої води та формування рідкого розсолу з органічними та неорганічними домішками, злив вказаного розсолу, нагрівання маси льоду при поступовому підвищенні температури до значень, що перевищують температуру кристалізації важкої води, та витримці льоду при вказаній температурі до повного його розморожування, повторне охолоджування води до температури кристалізації важкої води та витримку її при вказаній температурі до повної кристалізації важкої води та злив готового продукту у вигляді очищеної талої води в споживчу ємність при її одночасній фільтрації через фільтр тонкого очищення, який відрізняється тим, що нагрівання, охолоджування, кристалізацію води і танення льоду здійснюють рівномірно зовні робочої ємкості за допомогою термоелектричних елементів, що контактують з її термопровідними стінками, в автоматичному режимі, температуру середовища усередині робочої ємкості при першому охолоджуванні води знижують до величини не нижче мінус 3 °С із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, що дорівнює інтервалу значень 0,1-0,3 °C/хвил., час циклу першої кристалізації води розраховують в автоматичному режимі програмними засобами з моменту її фазового переходу, визначуваного по підвищенню температури середовища у бічній стінці робочої ємкості не менше ніж на 0,5 °C, температуру середовища усередині робочої ємкості при першій кристалізації води знижують до величини не нижче мінус 4 °C із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, що дорівнює інтервалу значень 0,05-0,1 °C/хвил., температуру середовища усередині робочої ємкості при таненні льоду до повного його розплавлення після зливу розсолу підвищують до величини не вище плюс 10 °C із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, яка дорівнює інтервалу значень 0,16-0,18 °C/хвил., а температуру середовища усередині робочої ємкості при повторному охолоджуванні води та кристалізації важкої води знижують до величини не нижче плюс 2 °C із швидкістю зміни температури середовища в робочій ємкості, яка дорівнює інтервалу значень 0,1-0,3 °C/хвил. 2. Спосіб очищення води за п. 1, який відрізняється тим, що час очищення води від органічних та неорганічних домішок до зливу розсолу складає не більше 360 хвилин, а повного циклу отримання готового продукту у вигляді очищеної талої води не перевищує 480 хвилин. 3. Спосіб очищення води за п. 1, який відрізняється тим, що для тривалішого збереження біологічно активних властивостей очищеної талої води перед її зливом в споживчу ємність процес повторної кристалізації води підтримують при температурі не більш +2 °C протягом не менше 300 хвилин. 4. Спосіб очищення води за п. 1, який відрізняється тим, що вміст чистої талої води складає не менше 65 об. % від її початкового об'єму із зниженням загального вмісту неорганічних домішок не менше ніж в 2 рази. 5. Апарат для очищення води, що включає корпус (1), в якому розміщені термостатована робоча ємність (2) з кришкою (3) та похилим днищем (4) з отвором (5) для зливу води, засіб для заморожування води і танення льоду з блоком (21) керування, споживча ємкість (7) для прийому талої очищеної води та ємкість (8) для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію, трубопроводи (9 та 10) із засобом (11) для керування зливом води в останніх, приєднані до зливного отвору (5) похилого днища (4) робочої ємкості (2) для заморожування води і танення льоду, зливні патрубки (13 та 12), які встановлені відповідно над споживчою ємкістю (7) для прийому очищеної талої води та ємкістю (8) для прийому води з домішками та підвищеним вмістом дейтерію, який відрізняється тим, що засоби для заморожування води і танення льоду виконані у вигляді термоелектричного модуля (6), що містить декілька термоелектричних елементів (14), розташованих зовні на бічній стінці робочої ємкості (2) для заморожування води і танення льоду, засіб (11) для керування зливом води в трубопроводах (9 та 10) містить встановлені попарно в останніх чотири нормально закритих клапани (15, 16, 17 та 18), а вказані трубопроводи (9 та 10) для зливу води додатково сполучені між собою трубопроводом (19) з фільтром (20) тонкого очищення води, ділянки з'єднання якого з трубопроводами (9 та 10) для зливу води розташовані між клапанами (15, 16, 17 та 18) засобу для керування зливом води у вказаних трубопроводах (9 та 10). 8 UA 101430 C2 5 10 6. Апарат за п. 5, який відрізняється тим, що робоча ємкість (2) виконана прямокутної форми, співвідношення її висоти та довжини та ширини складає відповідно не менше 1,0 та не більше 1,2. 7. Апарат за п. 5, який відрізняється тим, що блок (21) керування засобом для заморожування води і танення льоду включає електронний блок (22) керування термоелектричним модулем (6), блок (23) керування клапанами (15-18) для зливу води, сполучений з вказаними клапанами (1518), програмний автомат (24) та блок (25) вимірювання температури з датчиками (26, 27 та 28) температури, встановленими на дні (4), бічній стінці ємкості (2) для заморожування води і танення льоду та на радіаторах термоелектричного модуля (6), причому програмний автомат (24) підключений до блока (23) керування клапанами (15-18), блока (25) вимірювання температури та електронного блока (22) керування термоелектричним модулем (6). 9 UA 101430 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Method and device for water treatment

Автори англійською

Zotkin Sierhiei Valierievich

Назва патенту російською

Способ очистки воды и аппарат для его осуществления

Автори російською

Зоткин Сергей Валерьевич

МПК / Мітки

МПК: B01D 9/02, C02F 9/00, C02F 1/22

Мітки: спосіб, здійснення, очищення, апарат, води

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/12-101430-sposib-ochishhennya-vodi-ta-aparat-dlya-jjogo-zdijjsnennya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб очищення води та апарат для його здійснення</a>

Подібні патенти