Спосіб очищення води і пристрій для його реалізації

1.Спосіб очищення води, що включає її обробку залізовмісним коагулянтом і магнітним полем, який відрізняється тим, що як залізовмісний коагулянт використовують полідисперсні частинки фериту, обробку коагулянтом здійснюють шляхом пропускання води через його шар з одночасним накладанням неоднорідного магнітного поля, після чого здійснюють додаткову фільтрацію води шляхом послідовного пропускання її через шари гранульованих сорбентів із мінералу і активованого вугілля, при цьому воду вводять у зону з максимальною індукцією магнітного поля і процесом очищення керують шляхом зміни швидкості руху води або величини магнітної індукції. 2. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що обробку води коагулянтом і магнітним полем здійснюють пропусканням її через шар полідисперсних частинок фериту, що містить домішки срібла. 3. Спосіб по п. 1, який відрізняється тим, що у процесі обробки води коагулянтом на неї діють магнітним полем, що має постійну і змінну складові. A (54) СПОСІБ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ І ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО РЕАЛІЗАЦІЇ 28438 Спільними суттєвими ознаками відомого і пропонуємого технічних вирішень є обробка води залізовмісним коагулянтом і магнітним полем. До причин, які перешкоджають досягненню технічного результату, що може бути отриманий при використанні пропонуємого винаходу, відноситься те, що відомий спосіб очищення стічних вод має обмежені функціональні можливості, оскільки не дозволяє вилучати цілого ряду органічних і неорганічних шкідливих домішок і мікрофлори, і таким чином, не забезпечує високого ступеню очищення води. Найбільш близьким пристроєм того ж призначення, що і пропонуємий у даній групі винаходів, по сукупності ознак є пристрій для очищення водних розчинів від магнітних і немагнітних домішок (авт. свід. СРСР № 1567245, MKB B01D35/06, C02F1/48 "Фильтрующая насадка для электромагнитных фильтров", опубл. 30.05.1990, Бюл. № 20). Пристрій складається з циліндричного корпусу, навколо якого розміщена електромагнітна система, вхідного і вихідного патрубків. Наповнювач цього фільтруючого пристрою складається із гранул, частина яких виготовлена із магнітного матеріалу (стружка сплаву Х-13), а друга із немагнітного, гранули розташовані прошарками, що послідовно чергуються. Прошарки формуються у магнітному полі, що утворюється за допомогою електромагнітної ситеми. Гранули із магнітного матеріалу орієнтуються по силовим лініям магнітного поля і одночасно закріплюються гранулами суміжних прошарків із немагнітного матеріалу. При цьому співвідношення розмірів гранул магнітного і немагнітного матеріалів має бути в межах 4:1. Працює пристрій так. При вмиканні зовнішнього магнітного поля кожний шар магнітної стружи намагнічується і перетворюється в окремий магніт, обидва полюси якого є сукупністю вертикально розташованих полюсних наконечників. Силові лінії магнітної індукції концентруються на кінцях намагнічених гранул, утворюючи високоградієнтне поле, яке затримує феромагнітні домішки. Немагнітні домішки утримуються прошарками немагнітних гранул. Спільними суттєвими ознаками відомого і пропонуємого технічних вирішень є наявність вхідного і вихідного патрубків, зовнішнього і внутрішнього корпусів, виконаних із немагнітного матеріалу, магнітної системи, розташованої між ними, а також заповнення внутрішнього корпусу магнітними і немагнітними частинками. До причин, які перешкоджають досягненню технічного результату, що може бути отриманий при використанні пропонуємого пристрою, відноситься: - недосконалість магнітної системи, виконаної на базі електромагнітів, що не дозволяє сформувати магнітне поле потрібної неоднорідності, в результаті чого не забезпечується високого ступеню очистки води; - обмежені розміри гранул магнітного і немагнітного наповнювачів, що не забезпечує оптимального гідродинамічного режиму роботи пристрою і ефективного вилучення шкідливих домішок (не більше 92%); - непридатність відомого пристрою для знезаражування води. В результаті зазначених причин не забезпечується ефективне вилучення шкідливих домішок із різними фізико-хімічними і біологічними властивостями. В основу пропонуємої групи винаходів покладено спільне завдання - створення способу очищення води і пристрою для його реалізації, які дозволяли б підвищити ступінь очищення води за рахунок вилучення з неї складних органічних сполук, іонів важких і кольорових металів та мікрофлори. Вказаний спільний технічний результат, що може бути отриманий при здійсненні групи пропонуємих винахідів стосовно об'єкту - спосіб досягається тим, що у способі очищення води, що включає її обробку залізовмісним коагулянтом і магнітним полем, згідно з пропонуємим винаходом, в якості залізовмісного коагулянту використовують полідисперсні частинки фериту, обробку коагулянтом здійснюють шляхом пропускання води через його шар з одночасним накладанням неоднорідного магнітного поля, після чого здійснюють додаткову фільтрацію води шляхом послідовного пропускання її через шари гранульованих сорбентів із мінералу і активованого вугілля, при цьому воду вводять у зону з максимальною індукцією магнітного поля і процесом очищення керують шляхом зміни швидкості руху води або величини магнітної індукції. Згідно з пропонуємим способом, шар полідисперсних частинок, через які пропускають воду, містить домішки срібла; магнітне поле, що накладається у процесі обробки води має постійну і змінну складові. Крім того, для покращення якості, воду після очищення сорбентами пропускають через шар тирси із бактерицидними властивостями. Використання пропонуємого винаходу в обсязі усіх суттєвих ознак об'єкту - спосіб, дозволяє досягти необхідний технічний результат. Вказаний спільний технічний результат при реалізації групи винаходів по об'єкту - пристрій може бути досягнутий тим, що у відомому пристрої для очищення води, що має зовнішній і внутрішній корпуси із немагнітного матеріалу, магнітну систему, розташовану між ними, вхідний і вихідний патрубки для підведення і відбору води, при чому внутрішній корпус заповнений магнітними і немагнітними частинками, згідно з пропонуємим пристроєм у внутрішньому корпусі магнітні і немагнітні частинки розміщені в окремих послідовно розташованих у напрямку руху води сітчастих контейнерах, причому перший контейнер заповнений магнітними частинками і розміщений в зоні магнітної системи з неоднорідним магнітним полем, другий заповнений гранульованим мінеральним сорбентом і третій активованим вугіллям, а між магнітною системою і зовнішнім корпусом розміщено металевий екран із магнітного матеріалу. Пристрій містить автоматичний клапан для запобігання доступу повітря в зону розташування контейнерів із наповнювачем; обладнаний регулятором швидкості руху води. Для здійснення регенерації наповнювача корпуси та контейнери є розбірними, а для збільшення пропускної здатності внутрішній корпус з наповнювачем виконано у вигляді двох з'єднаних паралельно циліндрів з конусовидним звуженням у місці розташування магнітів. Група пропонуємих винаходів відповідає вимогам єдності винаходу, оскільки група різнооб'єкт 2 28438 них винаходів утворює спільний винахідницький задум, причому один із пропонуємих об'єктів групи - пристрій призначений для реалізації іншого пропонуємого об'єкту групи - способу очищення води. При цьому обидва об'єкти групи пропонуємих винаходів спрямовані на вирішення одного і того ж завдання для досягнення спільного результату. На фігурі зображено пристрій для реалізації способу очищення води. Пристрій складається із зовнішнього 1 і внутрішнього 2 корпусів, виготовлених із немагнітного матеріалу; патрубка 3 для підведення води і патрубка 4 для відбору води; контейнера 5, наповненого коагулянтом; контейнера 6 з мінеральним сорбентом; контейнер 7 з вугіллям, постійних магнітів 8 і 9, нахилених один до одного під кутом і розташованих між корпусом 1 і контейнером 5; металевого екрану 10 із магнітного матеріалу; автоматичного клапану 11 і регулятору швидкості руху води 12. Пристрій функціонує таким чином: підготовляють пристрій для роботи, для чого його встановлюють у вертикальному положенні і з'єднують гумовим шлангом вхідний патрубок з водопровідною мережею. Відкривають кран подачі води у пристрій і регулятором швидкості руху води встановлюють необхідну швидкість, визначаючи цей параметр по продуктивності роботи пристрою. Наведемо обгрунтування пропонуємого способу. Як відомо, головною умовою ефективної роботи гранульованого сорбенту є дестабілізація рідинних плівок на поверхні його зерен і на частинах, що вилучаються із води. Для цього, згідно винаходу, воду спочатку пропускають через шар полідисперсних частинок фериту (наприклад фериту барію ВаО×6Fе2О3, який являє собою неорганічний коагулянт як гідролізуюча сполука заліза. Такі сполуки здатні вилучати з води не тільки завислі домішки за рахунок нейтралізації їх заряду і гетерокоагуляції, але й різні високомолекулярні сполуки за рахунок їх сорбції високорозвинутою поверхнею гідроксиду металу, утвореного в результаті гідролізу коагулянту (див. Ярошевская Н.В., Андриевская М.Д., Сотскова Т.З. Анализ влияния различных факторов на эффективность работы водоочистных фильтров. "Химия и технология воды", 1993, т. 15, № 4, с. 294). Основний механізм процесів які відбуваються на поверхні фериту, можна описати рівняннями дисоціації поверхневих гідроксильних груп: OH OH O (1) -Fe -Fe-O-Fe Fe-+H2O O Fe -OH+H+ Fe Fe -OH+OH + Fe-OH 2 Fe -O +H2O яснити слідуючим чином. Існуючі моделі води (кластерна, клатратна) постулюють наявність в ній льодоподібної фази, котра зберігає каркас кристалічної решітки льоду з його тетраедричним розташуванням молекул Н2О і вільними порожнинами всередині тетраедрів. Вода, як слабкий електроліт, дисоціює на іони: Н2О=Н++ОН-. Радіус іона Н+ складає 1,32 Å, це - тонкий іон. За рахунок дії сили Лоренца на такий іон під час руху води, він потрапляє в порожнини каркасу і стабілізується в ньому. Радіус іона ОН- рівний радіусу порожнини каркасу, тому цей іон знаходиться в розчині в надлишку, створюючи лужне середовище. Отже, точніше дисоціація води при наявності магнітного поля буде проходити так: 2H2О=Н3О++ОН(див. Сикольский Ю.М. Омагниченная вода: правда и вымысел. - Л.: "Химия", 1990. – Разд. 1.4, 4.3). Магнітна обробка води зумовлює ще один позитивний ефект, а саме: вона зменшує заряд на поверхні зважених частинок та біологічних об'єктів, що значно підвищує інтенсивність їх коагуляції, а значить і ймовірність затримки сорбентами. Полідисперсні частинки фериту в запропонованому способі виконують не тільки роль коагулянту і фільтрувального засобу для високомолекулярних сполук, а й здійснюють попереднє очищення води від феромагнітних домішок. Це відбувається за рахунок того, що частинки фериту в магнітному полі намагнічуються і притягають до себе феромагнітні домішки, що знаходяться у воді. Магнітне поле накладають неоднорідне з двох причин. По-перше, в такому полі, як відомо, на феромагнітну частинку діє сила в напрямку градієнту поля r r r F = grad(P × B), r r де P - магнітний момент частинки, B - індукція магнітного поля. Оскільки воду вводять в зону з максимальною індукцією магнітного поля, тобто градієнт поля направлений протилежно вектору швидкості руху води, то і сила, що діє на феромагнітні домішки, буде направлена в цьому ж напрямку. Таким чином, вказані компоненти забруднення будуть затримуватись в зоні розміщення коагулянту, а вода поступатиме далі на фільтрацію сорбентами. В залежності від якісного і кількісного складу феромагнітних домішок, неоднорідне магнітне поле може мати додатково змінну складову, що дозволяє частково затримувати і мікрофлору, а введення домішок срібла в частинки фериту забезпечує інактивацію затриманих мікроорганізмів. По-друге, неоднорідне магнітне поле забезпечує обробку води в більш широкому діапазоні швидкостей її руху, ніж однорідне. Це пояснюється тим, що ефект магнітної обробки води залежить від добутку магнітної індукції і швидкості руху води. В неоднорідному магнітному полі при зменшенні швидкості води спрацьовує зона поля з більшою індукцією, а при збільшенні швидкості води - зона з меншою індукцією, залишаючи вказаний више добуток без зміни, а значить і режим обробки води на тому ж рівні. При значеннях магнітної індукції 0,1-0,2 Тл швидкість руху води повинна бути в межах 0,52,5 м/сек. (2) (3) Перше рівняння описує гідроліз окислу заліза, завдяки чому утворюється високогідроксильована поверхня, якій обробкою лугом або кислотою, як показують рівняння (2) і (3) може бути наданий позитивний або негативний заряд. В запропонованому способі обробка поверхні фериту здійснюється лугом, оскільки за рахунок накладання магнітного поля збільшується рН води. Це можна по 3 28438 Наступною стадією процесу очищення води є фільтрація. Вона здійснюється в два етапи. Спочатку воду пропускають через мінеральний сорбент, в якості якого може бути використаний наприклад кварцовий пісок або керамзит з модифікованою поверхнею, гранульований кремнезем, та інші. Розглянемо процес фільтрації води на прикладі гранульованого кремнезему з гідрофільними властивостями. Він вилучає з води органічні сполуки, білки і основну масу мікрофлори, по відношенню до якої кремнезем має специфічні властивості (див. Кремнеземы в медицине и биологии: Сб. научн. тр. / Под ред. акад. Чуйко А.А. - Киев – Ставрополь. - 1993. - С. 92). Крім цього, гранульований кремнезем не токсичний, має високу хімічну чистоту і низьку вартість. Застосування такого кремнезему на першій стадії фільтрації води, яка пройшла обробку коагулянтом і магнітним полем, збільшує ресурс активованого вугілля, котре на завершальній стадії звільняє воду від фенолів, пестицидів та інших токсичних органічних сполук. Далі наведено приклад очищення водопровідної води, що підтверджує можливість реалізації винаходу. Приклад Очищення водопровідної води. Підготовляють пристрій для роботи, для чого встановлюють його у вертикальному положенні і з'єднують гумовим шлангом вхідний патрубок з водопровідною мережею. Відкривають кран подачі води у пристрій і регулятором швидкості її руху встановлюють швидкість 0,5 м/сек, визначаючи цей параметр по продуктивності роботи пристрою. Спочатку промивають пристрій протікаючою через нього водою до тих пір, поки вода не стане прозорою. Потім відбирають чисту воду в окрему ємкість для вживання. Перевірку пропонуємого способу здійснювали за допомогою виготовленого дослідного зразка пристрою продуктивністю 50-100 л/год. Пристрій випробувався на очищення питної води із мережі міського водороводу та колодязів м. Суми в липні серпні 1995 року. Випробування проводила Сумська санепідемстанція за стандартними методиками. В результаті випробувань нової технології і водоочисного пристрою зафіксовано вилучення з питної води важих металів, нітратів та шкідливих речовин до гранично допустимого рівня, а також виявлено значне поліпшення її органолептичних показників. Крім того, після проходження через пристрій рН води збільшується з 7,2 до 8,3 одиниць. Це свідчить про те, що відбувається її обробка. Вода набуває лікувальних властивостей і може використовуватись як профілактичний засіб. Аналіз проб води на наявність важких металів проводили у лабораторії фізико-хімічних методів аналізу Сумського державного педінституту. Аналіз здійснювали з допомогою спектрофотометра С-115. Таким чином, пропонуємий спосіб очищення питної води і пристрій для його здійснення в порівнянні з відомими має перевагу як в ефективності вилучення шкідливих забруднень, так і функціональних можливостях. Застосування даного винаходу у народному господарстві забезпечить значний економічний і соціальний ефект за рахунок збереження здоров'я населення і раціонального використання водних ресурсів. Фіг. 4 28438 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5