Спосіб очищення води і установка для його здійснення

Винахід відноситься до способів очищення води, який поліпшує її біологічні властивості, а також до пристроїв для здійснення згаданих способів. Відомий спосіб очищення води, включає відвід тепла від верхніх її шарів, заморожування льоду на поверхні води не менше 1 мм, виведення із посудини незамерзлої води з домішками, відтавання льоду і злив талої води для її споживання [1]. При даному способі процес заморожування тонкого шару льоду забезпечує очищення води від домішок, але при цьому в лід переходить досить великий відсоток важких ізотопів водню дейтерію і тритію, який завжди є у воді, тому що вони кристалізуються першими вже в інтервалі плюсових температур 1,9¸4,5°С. Тому вода, отримана за цим способом, за рахунок циклічного малооб'ємного процесу заморожування й відтавання накопичує підвищену кількість важких ізотопів водню, стосовно початкової води, що, як установлено багаточисленними дослідженнями, завдає шкоди живим організмам, у тому числі і людині. Крім того, даний спосіб малопродуктивний по обсягу заморожування льоду за рахунок низької теплопровідності повітря. Оскільки верхні шари води починають кристалізуватися лише після вирівнювання температури по всьому об'єму посудини, то для одержання тонкого поверхневого шару льоду при черговому циклі необхідно понизити температуру у всій посудині до температури кристалізації, тобто до 0°С, що вимагає великих енергетичних витрат і часу необхідного для накопичення визначеного обсягу талої води. Для здійснення відомого способу використовують установку, що складається із посудини для наповнення її початковою водою, пристрою теплоперенесення і теплообмінника, виконаного плоским за формою і розташованим над верхніми шарами води для відводу тепла через повітря з її поверхні, допоміжного пристрою, який виконано за формою змійовика, котрий обгинає зовнішню бічну поверхню судини, що забезпечує при їхній спільній роботі, утворення у вер хніх шарах води тонкого шару льоду товщиною в 1см [1]. Недоліками відомого способу очищення води і установки для її очищення є те, що вони накопичують при кристалізації додаткову кількість важких ізотопів водню і тому не забезпечують поліпшення її біологічних властивостей. Крім того, намерзання і розморожування тонкого шару льоду через повітря і матеріал посудини малопродуктивне за обсягами намерзання і високовитратне енергетично. Задачею (метою) винаходу є створення способу й установки для одержання питної води, очищеної від шкідливих і отрутних домішок зі зниженим у ній вмістом важких ізотопів водню з квазікристалічною, льодоподібною структурою з мінімальними енерговитратами. Для здійснення цього способу ставиться задача створення установки, яка забезпечує одержання питної води, очищеної від шкідливих і отрутних домішок зі зниженим у ній вмістом важких ізотопів водню з квазікристалічною, льодоподібною структурою з мінімальними енерговитратами. Це досягається тим, що очищення води від домішок (розчинених у ній органічних і неорганічних хімічних речовин, газів і ін.) здійснюють у щільно закритій посудини шляхом створення приблизно на 1/3¸2/3 висоти стовпа рідини від верхніх її шарів, стаціонарного, локально-об'ємного, бар'єрно-різнотермічного кріогенного поля, яке забезпечує в зоні його впливу різницю температур у межах 1¸(-1)°С, яка стаціонарно і бар'єрно переміщується за рахунок кристалізації локального обсягу води, що обумовлює при замороженні льоду навколо теплообмінника граничну порогово-фазову, динамічну зміну щільності та питомої ваги квазікристалічної легкої (протієвої) води, яка перетворюється в лід і відповідне витиснення домішок з пор кристалічної решітки льоду, які закриваються і переходять в оточуючий лід водяний розчин, який має більшу питому вагу, ніж лід і сприятливі умови для гравітаційного осадження домішок на дно посудини. Процес локально-об'ємної кристалізації проводять у замкнутому об'ємі на рівновіддаленій відстані від центру і бокової поверхні посудини, котрий забезпечує поступове багатоступінчасте намерзання кристалів льоду масою не більше 50¸70% від загальної маси початкової води. Злив води з домішками і злив чистої талої води здійснюють у різних перерізах по висоті посудини і в різних каналах, що забезпечує спочатку злив залишку води з домішками, через канал виконаний у самій нижній частині дна посудини, а злив талої води після розмороження здійснюють через канал розташований на 0,5¸2см вище дна посудини, на її боковій поверхні. При цьому процес розмороження льоду відбувається у два етапи. Перший, для розмороження 90¸95% льоду, який утримує невелику кількість важких ізотопів водню і другий, для розмороження залишку льоду, що залишився на теплообміннику від початкової кристалізації і який утримує велику кількість важких ізотопів водню - дейтерію і тритію. Підвищення температури в посудині проводять поступово до стану пароутворення і конвекційного переміщення нагрітих шарів пару в межах не перевищуючих 40¸80°С, що дозволяє зберігати талу воду з льодоподібною структурою. Можливі різні варіанти підвищення температури в посудині: шляхом нагрівання екранованого кабелю намотаного на бічну поверхню посудини, мікрохвильовими коливаннями, шляхом подачі в посудину попередньо нагрітої очищеної талої води і ін. А для надвисокого очищення талої води розморожену воду пропускають через фільтр тонкого очищення, наприклад, через керамічний циліндричний фільтр або керамічний, котрий зроблений за формою "золотого" перерізу. А також шляхом перекачування води через фільтр під високим тиском. Для випадку, коли відбулося повне розмерзання льоду в посудині і у розталій воді залишилися важкі ізотопи водню, очищення талої води від дейтерію і тритію здійснюють шляхом повторного короткочасного замороження невеликої частки води до об'єму намерзання льоду в межах 3¸7% від загальної її маси в умовах циркуляції води в посудині шляхом її перекачування насосом. Даний спосіб забезпечує при циркуляції переміщення ізотопів дейтерію і тритію від віддалених місць посудини до зони кристалізації. Оскільки дейтерій і тритій переходять у твердий метастабільний стан вже при температурі плюс 4,5°С, то вони разом з кристалами легкої води кристалізуються першими, утворюючи на теплообміннику в його нижній частині, де знаходиться вода, при температурі близько 0°С невеликий за об'ємом шар льоду, який після зупинення процесу короткочасного замороження і зливу очищеної від дейтерію та тритію талої води, розморожується і зливається. На рисунку зображена запропонована установка. Вона містить раму 1, на якій кріпляться усі вузли і деталі, теплообмінник 2, виконаний за формою багатоступінчастого змійовика у верхній його робочій частині висотою приблизно 1/3¸2/3 висоти посудини і розташованого всередині посудини 3 висотою у межах 2¸5см від її верхньої основи і симетрично відносно її бокової поверхні із щілиною, яка забезпечує можливість замороження льоду у воді навколо змійовика до розмірів, котрі не перекривають при замороженні льоду цих щілин, електронагрівальну котушк у 4, виконану з екранованого кабелю, що забезпечує нагрівання посудини і повітряного простору усередині посудини навколо льоду в межах 40¸80°С, теплоізоляційний прошарок 5, що забезпечує теплоізоляцію процесу кристалізації, морозильний агрегат 6 із системою його охолодження 7, трубопровід 8 з вентилем 9 (чи електроклапаном 9) для зливу води з домішками, який встановлено у самому нижньому перетині конусного дна посудини, трубопровід 10 для зливу талої води установлений внизу бокової поверхні посудини вище конусного дна посудини на 0,5¸2см, насос 11 для перекачування та циркуляції води під високим тиском, фільтр 12 (у тому числі циліндричний або сферичний керамічний композиційний чи конусний виконаний за формою "золотого" перерізу) для тонкого очищення талої води, водовідвідну трубку 13 для зливу талої води, нижню 14 і верхню 15 основу, термоізоляційну кришку 16, ущільнення 17, кожух 18 і електричний блок керування 19, що забезпечує керування установки в ручному й автоматичному режимах, регулювальні нижні опори 20, трубопровід з вентилем 21 для системи циркуляції води і вентилем 22 для прямоточного, природного зливу талої води не перекачуючи воду насосом. Приклад 1. Посудину 3 заповнюють початковою водою, відкривши термоізоляційну кришку 16, до обсягу обумовленого верхнім витком теплообмінника 2, який розташований на відстані 2¸5см щодо верхньої основи посудини. Вентиль 9 і 22 при цьому знаходиться в стані, який перекриває зливальний трубопровід 8 і 10. Потім термоізоляційну кришку 16 закривають і включають морозильний агрегат 6 із системою його охолодження 7. Протягом 0,5¸2 години, в залежності від початкової температури води і потужності агрегату 6, температура в посудині вирівняється і досягне значення 1¸(-1)°С. Поріг різниці температур і бар'єрність його переміщення залежать від зони кристалізації обумовленою висотою і формою теплообмінника, потужністю морозильного агрегату і часом. Границя температури 0°С відповідає температурі початку кристалізації іпереходу молекул протієвої води у лід. При температурі, яка починається з плюс 4,5°С, починається кристалізація ізотопів водню - спочатку тритію, а потім дейтерію, які в мізерно малих кількостях, відносно основної маси води, при даній температурі переходять у метастабільно-твердий неактивний стан і при подальшому зниженні температури води в посудині, ці шари води переміщуються по висоті посудини зверху вниз, при цьому охолоджені щільні шари води опускаються вниз, а теплі - вгору, в локально-об'ємну зону температури кристалізації води, обумовлену при цьому розмірами і формою теплообмінника. Тому перший шар льоду навколо теплообмінника накопичує спочатку приблизно 30¸40% льоду з ізотопами водню. Наступні шари льоду з ростом його товщини навколо теплообмінника є практично очищеними на 60¸70% від дейтерію і тритію, а також від шкідливих хімічних речовин, що знаходяться у воді на 100%. Домішки при намерзанні льоду на теплообміннику переміщуються від зони кристалізації вниз, маючи більшу щільність, і взагалі утворюють канцерогенний і мутагенний розчин, для кристалізації якого потрібні більш низькі температури, ніж 0°С. Тому при намерзанні льоду за об'ємом приблизно рівного 50¸70% від початкової маси води процес кристалізації припиняється. Канцерогенний розчин, що залишився з різного роду домішками зливають, відкривши вентиль 9. Після зливу води з домішками вентиль 9 закривають і включають систему розмерзання льоду, подавши напругу на електронагрівальну котушк у 4, виконану з екранованого кабелю. Котушка 4 нагріває бічну поверхню посудини 3, створюючи плюсову різницю температур між стінками посудини і льодом. Внаслідок чого починається безупинна теплоциркуляція в посудині, що обумовлює при підвищенні температури появу пару, який підвищує теплопровідність конвекційних потоків, які забезпечують швидке і рівномірне розмерзання льоду. Конвекція порізному нагрітих шарів пару забезпечує при розмерзанні льоду квазікристалічну, стр уктуровану біологічно активну, без канцерогенів і мутантів, талу воду, що збирається на дні посудини. Після розмороження льоду приблизно на 93¸95% від його загального обсягу, тала вода зливається через трубопровід 10 шляхом відкриття вентиля 22 і шляхом перекачування талої води насосом 11 через фільтр тонкого очищення 12, в тому числі через цілиндричний або сферичний фільтри, виготовлені з композиційної кераміки, а також через керамічний фільтр, виконаний за формою "золотого" перетену в межах D/H=1,58-1,64, де Η - висота, a D діаметр конусу. Первинні кристалики льоду, приблизно 3-7% від загального об'єму льоду, які залишилися на теплообміннику не розмороженими, містять у собі приблизно 40-70% важких ізотопів водню знову розморожують і зливають через трубопровід 8. Цикл повторюється. Приклад 2. Все так само як і в прикладі 1, за винятком того, що для більш якісного очищення талої води від важких ізотопів водню, лід розморожують на 100%, потім включають морозильний агрегат 6 і насос 11, який забезпечує по трубопроводах 10 і 21 циркуляцію води в замкнутому об'ємі. Циркуляція води необхідна для перемішування води з метою прискорення фракційного поділу "протієвої" води від важких ізотопів водню. Процес триває не довго до появи необхідного шару льоду на теплообміннику. Потім охолоджену приблизно до температури плюс 1°С, приємну на смак талу воду зливають через трубопровід 10, а лід, що накопичився на теплообміннику, приблизно в межах 3¸10% від загальної маси талої води з важкими ізотопами водню розморожують і зливають через трубопровід 8. Приклад 3. Все так само як і в прикладі 1, за винятком того, що установка замість електричної катушки 4 має генератор зверхвисоких хвиль (ЗВХ) (на рисунку не показано), який після зливу води з домішками включають для танення льоду. Процес танення льоду іде при температурі близько 12¸40°С і надзвичайно швидко, приблизно, 20¸60 хвилин. Приклад 4. Все так само як і в прикладі 1, за винятком того, що для швидкого танення льоду використовують технологічну талу воду, яку нагрівають до температури 50¸100°С, наприклад, газом чи електричним приладом тощо в окремій посудині (на рисунку не показано), а потім наливають у посудину 3. Танення льоду при такому способі відбувається надзвичайно швидко за 3¸15 хвилин. Таким чином, запропонований спосіб очищення води і установка для його здійснення дозволяють очистити початкову воду від розчинених у ній канцерогенних і мутагенних речовин і газів, а також істотно зменшити зміст у ній дейтерію і тритію, що в результаті дозволяє одержувати біологічно активну структуровану воду. Література 1. Патент США 4 799 945 від 24 січня 1989р.