Спосіб очищення та знезаражування води електророзрядами та пристрій для його реалізації (варіанти)

Винахід відноситься до пристроїв підготовки води для питного і технічного водопостачання, очищення стічних вод від токсичних домішок, активації і обеззаражування води і може бути використаним в системах очищення і водопідготовки в промислових, сільськогосподарських, комунальних підприємствах, в медицині, мікробіології тощо. Відомий спосіб та пристрій для очищення і обеззаражування води з допомогою високовольтних електричних розрядів (патент РФ № 2136602 МПК 6 С 02 F 1/6, опубл. 10.09.99) [1]. Згідно зі способом розташовують один з електродів у повітрі, а другий у воді, що обробляється, створюють розряд у повітрі і продукти розряду направляють у воду, де вони розчиняються і вливають на забруднення води. В пристрої за патентом [1] для реалізації цього способу міститься електрод у вигляді йоржа з багатьма вістрями, на якому під дією напруги виникає розряд у повітрі проти води, що стікає по стінці протиелектрода. Продукти розряду у повітрі далі змішуються з водою у корпусі пристрою для одержання ефекту її очищення. Недоліками такого способу та пристрою є недостатня ефективність обробки води через наявність рознесеної в часі послідовності фаз: виробництва продуктів розряду у повітрі (зокрема озону), змішування і розчинювання їх у воді, далі - хімічна взаємодія їх з шкідливими домішками у воді, яка повинна знешкоджувати і/або призводити до осадження цих домішок. Мала концентрація плазмохімічних реагентів, що утворюються при розряді у повітрі, ще зменшується при проходженні вказаних стадій процесу, оскільки кожна з них потребує певного часу для реалізації, а плазмохімічні продукти розряду швидко руйнуються. Крім того, при розрядах у повітрі утворюються оксиди азоту, які при розчиненні у воді утворюють азотні кислоти, що самі у даному випадку є шкідливими домішками у "очищеній" воді. Складна система подачі води і повітря, їх перемішування і відведення робить пристрій технічно складним і тому високозатратним. Недоліки пристрою за патентом [1] в тому, що він є складним, дорогим і недостатньо ефективним. Найбільш близьким аналогом до винаходу є спосіб та пристрій за патентом РФ № 2019518, МПК 5 С 02 F 1/46, опубл. 15.09.94 [2]. Згідно зі способом по [2] розряд проводиться між двома електродами безпосередньо у воді, що обробляється. При цьому утворюється розряд з наскрізним пробоєм між вказаними електродами. Пристрій для реалізації цього способу містить у сферичній камері електрод та протиелектрод до нього, що підключені до генератора імпульсних струмів. При подачі високовольтного імпульсу виникає лише один плазмовий канал розряду. Такий розряд має суттєві недоліки з точки зору обробки води. Плазмовий шнур, що утворюється, має дуже обмежений об'єм: просторові розміри його знаходяться в межах міжелектродної відстані і кількох мм в діаметрі. Крім того, через високу концентрацію енергії, її виділення у воді має вибуховий характер і тому майже вся вона (>80%) витрачається на утворення ударної хвилі і на утворення плазми (Наугольных К.А., Рой H.A. Электрические разряды в воде. -М., Наука, 1971, -55с.) [3]. Хімічні сполуки, що очищають воду, утворюються лише на заключному етапі розвитку розряду - при розвалі високотемпературної плазми. Через обмежені розміри каналу за один розряд обробляється незначний об'єм води. Це потребує великої кількості розрядів, щоб обробити всю воду в об'ємі камери, що в поєднанні із вказаною низькою ефективністю використання енергії в самому розряді, призводить до великих перевитрат електроенергії. Ще один недолік полягає у тому, що високострумовий канал наскрізного пробою з високою щільністю стр уму на загострених кінчиках електродів призводить до інтенсивного руйнування електродів з переходом продуктів руйнування в "очищену" воду. Це призводить до низької ефективності очистки води і малого ресурсу роботи пристрою. Пристрій має складну і відповідно дорогу конструкцію, пов'язану з необхідністю створювати у воді обертовий рух протиелектрода навколо головної вісі пристрою. Таким чином, розглянутий спосіб очищення води і пристій для його реалізації малоефективні, енергетично надзвичайно затратні і відповідно економічно невигідні. Пристрій, крім того, конструктивно складний і не забезпечує достатнього ресурсу роботи. Задачею даного винаходу є розробка способу для очищення і обеззаражування води електророзрядами та пристроїв для його реалізації, за якими спеціальна організація розряду та конструктивне забезпечення його створення завдяки запропонованій побудові корпусу і розрядних електродів, їх розташуванню та покриттю спеціальною електричною ізоляцією дозволили б досягти підвищення ефективності та економічності обробки води, спростити конструктивно пристрій, збільшити ресурс його роботи і цим підвищити економічну ефективність та надійність пристроїв за запропонованим способом. Для вирішення поставленої задачі запропоновано спосіб очищення та обеззаражування води електророзрядами, що полягає у створенні електричного розряду у воді при подаванні імпульсів напруги на електрод та протиелектрод, які розмішують один проти одного у воді, що очищується, згідно з винаходом, імпульс напруги подають на групу електродів і розряд на протиелектрод проводять одночасно зі всіх електродів, а як протиелектрод використовують саму воду, що очищується, і її підключають до джерела імпульсів через окремий контактний електрод. Поставлена задача також вирішується пристроєм для очищення та обеззаражування води електророзрядами, що містить корпус з радіальними стержневими електродами в стінці і протиелектродом до них, підключеними до джерела імпульсних струмів, та засоби підведення і відведення води, в якому згідно з винаходом, корпус має видовжену форму, наприклад циліндричну, виконаний з діелектричного матеріалу, містить в бокових стінках m .n розрядних електродів, згрупованих в m(m³1) секцій уздовж його вісі по n(n³1) електродів у секції, при цьому електроди в кожній наступній секції розміщені так, що їх вісі відхилені по азимуту (тобто повернуті навколо поздовжньої вісі корпусу) на кут a=0-2p/m .n радіан по відношенню до осей електродів попередньої секції, протиелектродом до них є вода, що обробляється, яка приєднана до полюсу джерела імпульсних струмів через контактний електрод, а контактним електродом служить електропровідний елемент підведення і/або відведення води, що підключений до полюсу джерела імпульсних стр умів, який може бути заземленим. Крім того, корпус виконано у вигляді багатогранника, а електроди розміщені на гранях і/або в просторових кутах, що утворені гранями. Крім того, контактний електрод виконано у вигляді одної або більшої кількості ґраток, встановлених поперек потоку вверх і/або вниз по потоку води відносно корпусу, при потребі - і в межах електродної системи, які електрично ізольовані від інших елементів пристрою і підключені до полюсу джерела імпульсних стр умів, який може заземлятись. Крім того, контактним електродом служать один або більше електродів у бокових стінках, підключених до відповідного полюсу джерела імпульсних струмів, що може заземлятись. Крім того, контактним електродом служить принаймні одна грань корпусу, яка виконана з електропровідного матеріалу, не містить електродів і електрично з'єднана з полюсом джерела імпульсних стр умів, що може заземлятись. Поставлена задача також вирішується тим, що пристрій містить корпус з електродами в стінці і протиелектродом до них, підключеними до джерела імпульсних струмів, за винаходом корпус має видовжену форму, наприклад циліндричну або багатогранну, виконаний з електропровідного матеріалу, електроди мають власну ізоляцію, протиелектродом до них є вода, що обробляється, яка приєднана до полюсу джерела імпульсних струмів через контактний електрод, а контактним електродом служить електропровідний корпус, підключений до полюсу джерела імпульсних стр умів, що може бути заземленим. Поставлена задача також вирішується тим, що пристрій містить корпус з електродами в стінці і протиелектродом до них, підключеними до джерела імпульсних струмів, за винаходом корпус має видовжену форму, наприклад циліндричну або багатогранну, виконаний з діелектричного матеріалу, містить принаймні одну електродну секцію з електродом у стінці у вигляді плоского кільця або багатокутника, що відповідає формі перерізу корпусу, товщиною, меншою ніж товщина стінки корпусу, вн утрішній торець його оголений від ізоляції і може бути загостреним, протиелектродом до нього є вода, що обробляється, яка приєднана до полюсу джерела імпульсних струмів через контактний електрод, а контактним електродом служить електропровідна гратка, встановлена вверх і/або вниз по потоку води відносно корпусу і поперек потоку, яка електрично ізольована від інших елементів пристрою і підключена до полюсу джерела імпульсних струмів, що може заземлятись. Крім того, внутрішня частина електрода у вигляді кільця чи багатокутника виконана у вигляді зубців, кінчики яких оголені від ізоляції. Поставлена задача також вирішується тим, що пристрій містить корпус з електродом і протиелектродом до нього, підключеними до джерела імпульсних струмів, за винаходом корпус має видовжену форму, наприклад циліндричну або багатогранну, виконаний з електропровідного матеріалу, при цьому електродом служить сам корпус, вн утрішня поверхня корпусу покрита ізоляцією, яка має наскрізні прорізи у вигляді кілець або ламаних ліній по периметру вн утрішньої поверхні в площині, перпендикулярній до вісі корпусу, ширина яких Dl співвідноситься з товщиною ізоляції t як Dl£t із відстанню між цими прорізами в осьовому напрямку l, як Dl/l£0,1, або такі ж прорізи у вигляді гвинтової нарізки з кроком нарізки l, або прорізи у вигляді отворів, діаметр d яких співвідноситься з товщиною ізоляційного покриття t як d£t, а загальна площа отворів s складає менше половини площі робочої зони внутрішньої поверхні корпусу S, яка покрита ізоляцією з отворами: s£0,5S . Крім того, внутрішня поверхня корпусу покрита пористою ізоляцією з пористістю, меншою ніж 30%, протиелектродом до нього є вода, що обробляється, яка приєднана до полюсу джерела імпульсних стр умів через контактний електрод, яким служить електропровідна гратка, встановлена вверх і/або вниз по потоку води відносно корпусу і поперек потоку, яка електрично ізольована від інших елементів пристрою і підключена до полюсу джерела імпульсних струмів, що може заземлятись. Досягнення позитивного результату пов'язане з тим, що розряд у воді за запропонованим способом проводиться між електродом і самою водою, як протиелектродом. Вода - провідник, хоч і з меншою провідністю, чим у металів, але стовп води в корпусі має малий сумарний електричний опір і розряд, при подачі імпульсу напруги на електрод відносно води як протиелектрода, легко виникає. На відміну від металевого протиелектрода, на поверхні якого розрядний канал закінчується, вода - такий протиелектрод через свої фізичні особливості, що розряд, який виник на її поверхні в місці контакту з електродом, поширюється далі в її глибину. Факел цього розряду тим довший, чим більша напруга, і тим більш розгалужений, чим більший струм розряду. Внутрішня енергія складових плазми факелу такого розряду відповідає рівню енергії плазмохімічних процесів по розкладанню молекул забруднень і молекул води. Продукти розкладу води оксидують забруднення, тобто також діють на її очищення. Таким чином, в даному випадку нема потреби в такому потужному розряді як наскрізний пробій по [2] з його 50% витрат енергії на створення високотемпературної плазми і 30% - на створення ударної хвилі [3]. За рахунок цього з допомогою запропонованих способу та пристроїв створюється значна економія питомих і, відповідно, загальних витрат електроенергії на очищення та обеззаражування води. Зниження енергії в розряді зменшує величину і щільність струму на електроді, що суттєво зменшує, а в деяких варіантах винаходу зовсім ліквідує руйнування електродів і, відповідно, забруднення очищеної води його продуктами, як це має місце в [2], тобто за рахунок цього запропоновані спосіб і пристрої за винаходом підвищують ефективність очищення води. Завдяки відповідному розташуванню електродів за винаходом, вдається перекрити факелами розряду практично весь переріз потоку води за один розряд і, відповідно, вода обробляється за один прохід через пристрій. Цим досягається ефективне вкладення енергії в очистку, суттєво е фективніше, ніж в [2], де за один розряд обробляється незначний об'єм тільки в зоні одного каналу наскрізного пробою. Цим також збільшується економічна ефективність винаходу. Пристрої за винаходом гранично прості, оскільки в корпусі не містять складних і відносно високогабаритних елементів, як в [2], які заважали б протоку води. Практично пристрій за винаходом - прямоточна труба. Відсутня або мала руйнація електродів сумісно з загальною простотою пристроїв робить їх значно дешевшими, надійнішими та забезпечує значний ресурс їх роботи, по меншій мірі, у порівнянні з найближчим аналогом [2]. На фіг.1, 2, 3, 4 показані варіанти конструктивних схем пристрою, що заявляється. Варіанти виконання корпусу пристрою з відповідним розташуванням електродів позначені на фіг.1 літерами А, Б, В, Г, Д. Пристрій за фіг.1 містить корпус 1, потенціальні (розрядні) електроди 2, елемент підведення води 3, факел 4 розряду з електрода 2 у воду, ґратки в ізоляційному корпусі 5, ізоляцію електрода 6, внутрішню ізоляцію корпусу з прорізами 7, пористу внутрішню ізоляцію корпусу 8, елемент відведення води 9, відстійник 10, джерело імпульсних стр умів ДІС, з потенціальним полюсом П, до якого підключаються розрядні (потенціальні) електроди 2, і полюсом, що може заземлятись 3. Стрілки показують напрямок протікання води, що обробляється. На перерізі корпусу варіанту А по стрілках А-А на фіг.2 в корпусі 1 видно розрядні електроди 2 першої і другої секцій, причому електроди другої секції відхилені по азимуту відносно електродів першої на кут a, та видно положення факелів 4 розряду з електродів 2 у воду. Пристрій за фіг.3 містить багатогранний корпус 1, в якому електрод 2 може розташовуватись на грані (а) або в просторовому куті, утвореному гранями (б). Пристрій за фіг.4 містить багатогранний ізоляційний корпус 1, одна грань 11 якого виконана з провідникового матеріалу і служить контактним електродом для води, електрод 2, факел розряду 4. Роботу з пристроєм по варіанту А, фіг.1, проводиться в такому порядку. Всі розрядні електроди 2 підключаються до одного полюсу П джерела імпульсних струмів (ДІС), а електропровідний елемент підведення води 3 і/або її відведення 9 підключають до другого полюсу 3, який при потребі може бути заземленим. В корпус 1 пристрою подається вода, після цього вмикається ДІС і на електроди надходять імпульси напруги. Під дією імпульсної напруги між розрядним електродом 2 і водою виникають розряди, факели 4 яких розвиваються в глибину води, як це видно на фіг. 1 і 2, і обробляють воду. В даному варіанті елементи 3 і 9 являються контактними електродами води з ДІС, які задають потенціал полюсу З ДІС всьому стовпу води, який знаходиться в корпусі 1. Через це різниця потенціалів між електродами 2 і водою така ж, як і між полюсами ДІС, що і призводить до електричного побою і розвитку розряду у воді. Для повнішої обробки всього перерізу потоку води в корпусі 1, електроди 2 в кожній наступній секції розміщують так, щоб їх вісі були відхилені по азимуту від осей електродів попередньої секції на кут a=0-2p/m .n радіан, де m - кількість секцій, n - кількість електродів у секції. Корпус пристрою 1 може бути багатогранним, як показано на фіг.3 і 4, де представлені їх поперечні перерізи. При цьому електроди 2 можна розміщувати як на гранях, фіг. 3а, так і/або в просторових кута х, утворених цими гранями, фіг. 3б. Достоїнство такого корпусу в тому, що гранями можна стиснути факел розряду і тим покращити повноту обробки води та розташовува ти з цією ж метою електроди один над одним вздовж корпусу 1. Контактний електрод для зв'язку води з ДІС, фіг.1, можна виконати у вигляді ґратки в окремому корпусі 5, як незалежний елемент тракту очищення води. Корпус ґратки може бути виготовленим з будь-якого матеріалу, але краще з ізоляційного. В цьому випадку забезпечується більш рівномірний розподіл електричного поля у стовпі води. Контактні електроди 5 також можна розташувати з обох боків від корпусу 1, фіг.1. Це, крім покращення розподілу електричного поля в стовпі води, дозволяє замкнути всі електричні процеси в межах корпусу 1 між контактними електродами 5 без виносу потенціалів вздовж потоку води за елементи 3 і 9. Можна також гратку 5 вставити в розріз корпусу 1 між будь-якими секціями електродів 2 при умові забезпечення її відповідної ізоляції. Крім того, як контактні електроди можна використати будь-які потенціальні електроди або групу електродів 2, підключивши їх до полюсу ДІС, що може заземлятись. Це можуть бути, наприклад, крайні секції електродів 2, що стоять на вході і/або на виході корпусу 1. В цьому випадку відпадає потреба в гратці 5. Роль контактного електроду може виконувати одна або більше граней багатогранного корпусу 1, як це видно на фіг.4. Така побудова пристрою дозволяє більш широке комбінування розмірів та форм корпусу 1 з розташуванням електродів 2 для повнішої обробки води. Пристрій за фіг.1Б, в якому корпус 1 виконано з провідникового матеріалу, а електроди 2 мають власну ізоляцію, дозволяє як контактний електрод використати сам корпус 1, який підключається до полюсу З ДІС. Спосіб за даним винаходом дозволяє запропонувати кілька ще більш спрощених конструкцій пристрою. У пристрої за фіг.1В в діелектричний циліндричний корпус вмонтовано потенціальний електрод у вигляді кільця, внутрішній торець якого контактує з водою. При подачі імпульсу напруги, по всьому його внутрішньому периметру виникає розряд. Такий електрод-кільце замінює секцію дискретних електродів за варіантами А і Б , фіг.1. Загострення внутрішнього торця полегшує зародження розряду. Такий же електрод можна вмонтувати і в багатогранний корпус, тільки у формі багатокутника, що відповідає формі внутрішнього периметру корпусу. Вздовж корпусу кількість таких електродів-секцій не обмежується. Виготовлення внутрішнього торця у вигляді зубців дозволяє фіксувати місця зародження факелів, що знижує вірогідність нерівномірного виникнення розрядів по периметру суцільного кільця. Подібного результату - безперервного розряду по внутрішньому периметру корпусу 1, можна досягти, якщо в суцільній ізоляції 7 на внутрішній поверхні корпусу 1, фіг.1Г, зробити наскрізний проріз по периметру, а корпус при цьому являється потенціальним електродом і підключений до полюсу П ДІС. Як показали досліди, в такому прорізі зароджується розряд так же, як і на загостреній кромці металевого електрода. Ширину такого прорізу Dl нема потреби робити більшою, ніж товща ізоляції t, а відстань між ними l меншою, ніж 10Dl, бо це не покращує параметрів розряду. Прорізи можна зробити у вигляді гвинтової нарізки з кроком l. Прорізи в ізоляції можна зробити також у вигляді отворів (дирок) у ній з діаметрами d, з тих же причин, також не більшими, чим товща ізоляції t. Умова, щоб загальна площа отворів складала менше половини площі робочої зони внутрішньої поверхні корпусу S, яка покрита ізоляцією з отворами: s£0,5S, пов'язана з тим, що при більшій площі s безрозрядне стікання струму з електрода призводить до зменшення факелу розряду. Ще більший ефект густини розрядів досягається, якщо корпус 1, також підключений як потенціальний електрод до полюсу П ДІС, фіг.1Д, покритий пористою суцільною ізоляцією 8. При цьому, при подачі імпульсу напруги на корпус 1, на всій поверхні виникає суцільний факел розряду щіткового вигляду. При пористості ізоляції більшій, ніж 30%, факел зменшується. Таким чином, у порівнянні з прототипом, спосіб та пристрій для його реалізації за винаходом, що пропонується [2], завдяки спеціальній організації розрядів, побудові корпусу, побудові та розташуванню електродів, використанню певних видів електричної ізоляції, дозволяють досягти суттєвого збільшення ефективності та економічності обробки води, спростити конструктивно пристрій, збільшити ресурс та надійність його роботи.