Спосіб і пристрій для очищення води, що передбачають утворення біполярного шару

Реферат: Винахід належить до галузі очищення води, а саме до способу і пристрою для обробки води, які передбачають подачу вхідної води з розчиненою в ній речовиною принаймні до однієї поверхні обробки. В зоні біля поверхні обробки створюють електричне поле для утворення гідратаційного шару завдяки біполярній природі молекул води. Воду потім видаляють з гідратаційного шару. Таке видалення можна здійснювати методом осмосу або видаляючи елемент (елементи) з вхідної води з водою гідратаційного шару на ньому (них) з наступним видаленням з елемента (елементів) води дегідратаційного шару. Спосіб розроблено для зменшення енерговитрат при отриманні питної води з морської. UA 99811 C2 (12) UA 99811 C2 UA 99811 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід відноситься до способу та пристрою очищення води. Винахід створено з метою зменшення енерговитрат при очищенні, зокрема, при знесолюванні морської води для отримання питної води. У багатьох країнах світу єдиним шляхом задоволення потреби у питній воді є знесолювання морської води, оскільки немає іншого реального джерела води. На жаль, відомі методи знесолювання передбачають високі енерговитрати, що загострює світові проблеми енергоспоживання. Існує два основні відомі методи знесолювання. Перший – це дистиляція, при якій вхідну солону воду нагрівають для утворення пари, яку потім конденсують для отримання води необхідної якості. Як правило, з кожних 100 галонів використаної морської води отримують 1550 галонів прісної води, решта є відпрацьованим концентрованим сольовим розчином (розсолом), що містить більшу кількість розчинених твердих речовин, ніж первинна морська вода. Такий відпрацьований розсіл виливають знову у море. Другий основний метод знесолювання – це зворотний осмос, при якому вхідну морську воду подають з одного боку напівпроникної мембрани і піддають високому тиску. Молекули солі не проходять крізь мембрану, а вода проходить, так що вода по інший бік мембрани з морської стає придатною для споживання. Очевидно, що енерговитрати, пов'язані з дистиляцією як методом знесолювання, є високими, але тиски, необхідні для зворотного осмосу, є такими високими, що цей метод також потребує великих енерговитрат. У зв'язку з цим, завданням даного винаходу є здійснення очищення води, наприклад знесолювання, таким способом, при якому енерговитрати є меншими. Згідно з одним аспектом винаходу запропоновано спосіб обробки води для отримання відносно чистої води з вхідної води, що містить розчинену речовину, який передбачає створення електричного поля, яке викликає утворення молекул води гідратаційного шару у вхідній воді, та виведення води з гідратаційного шару. У кращому варіанті спосіб передбачає подачу вхідної води принаймні до однієї поверхні обробки; створення електричного поля для утворення гідратаційного шару в зоні біля згаданої поверхні (поверхонь); та виведення води гідратаційного шару із зони біля згаданої поверхні (поверхонь). Винахід також пропонує пристрій для обробки води для отримання відносно чистої води з вхідної води, що містить розчинену речовину, який включає засоби створення електричного поля у вхідній воді для утворення у ній гідратаційного шару, і засоби виведення води з цього гідратаційного шару. Це можуть бути засоби для подачі вхідної води принаймні до однієї поверхні обробки; засоби для створення електричного поля для утворення гідратаційного шару в зоні біля поверхні (поверхонь) обробки; та засоби виведення води гідратаційного шару із зони біля згаданої поверхні (поверхонь). Винахід використовує принцип, згідно з яким під дією електричного поля, наприклад біля поверхні, що має електричний заряд, молекули води орієнтуються відповідно цьому електричному полю, і завдяки тому, що молекули є полярними, структура сітки водневих зв'язків у молекулах води змінюється. Навколо зарядженої частинки утворюється гідратаційна оболонка, що включає тонкий шар орієнтованих молекул води. Товщина цього шару, у вигляді молекул, залежить від величини заряду. У гідратаційному шарі молекули води не включають інші молекули та іони. Таким чином, хоча гідратаційний шар є тонким і має товщину лише в декілька молекул (це товщина, яка залежить від напруженості електричного поля біля згаданої поверхні), вода у гідратаційному шарі є практично чистою водою, яку можна виводити для споживання з набагато меншими енерговитратами, ніж за відсутності гідратаційного шару. Хоча створення електричного поля і передбачає деяку витрату енергії, загальним результатом є зменшення енерговитрат. Поверхня або поверхні обробки, поблизу яких створюється електричне поле, може включати напівпроникну мембрану, і воду з гідратаційного шару біля мембрани можна виводити, прикладаючи до вхідної води тиск, щоб викликати осмотичний потік води гідратаційного шару крізь мембрану. Після цього вода, яка знаходиться по інший бік мембрани відносно вхідної води, тобто пройшовши крізь мембрану, є практично очищеною, наприклад знесоленою. Коли виведення води здійснюють методом осмосу з гідратаційної оболонки, тиск, необхідний для проведення такого осмосу, є значно меншим, ніж тиск, необхідний для знесолювання методом звичайного зворотного осмосу. Отже, енерговитрати у запропонованому способі знесолювання можна значно зменшити. 1 UA 99811 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Електричне поле біля поверхні обробки можна створити, надавши заряд їй або електроду поблизу цієї поверхні. Заряд можна надати у вигляді прямокутного сигналу, що включає прямокутні імпульси, розділені інтервалами (нульового сигналу). Перевага використання такої форми сигналу для створення електричного поля біля поверхні полягає у тому, що під час імпульсів електричне поле виникає швидко, і утворюється гідратаційний шар (на що йде обмежений, хоча і короткий час). Під час інтервалів між імпульсами гідратаційний шар вивільняється і здатен проходити крізь мембрану під тиском. Як альтернатива виведенню води гідратаційного шару примушенням її проходити крізь мембрану воду можна виводити, розміщуючи принаймні одну поверхню обробки на елементі, здатному рухатись відносно подачі води і частину якого можна виводити з вхідної води з водою гідратаційного шару на ньому у положення, в якому воду гідратаційного шару можна видаляти з елемента. Згаданий елемент може бути здатним обертатися і може мати периферичну частину, занурену у вхідну воду, і частину, що виступає над вхідною водою, так що воду гідратаційного шару можна шляхом обертання елемента піднімати над вхідною водою у положення, в якому її можна видаляти з елемента. Такий здатний обертатися елемент може мати поверхню, яку можна електрично заряджати для утворення на ньому гідратаційного шару і розряджати для вивільнення води гідратаційного шару. Елемент може бути у формі порожнистого валика з внутрішнім заряджаючим електродом для зарядження поверхні валика у положенні всередині вхідної води і розряджаючим електродом в положенні над рівнем вхідної води, в якому воду гідратаційного шару видаляють з його поверхні. В іншому варіанті на поверхні обробки можна передбачити ряд дискретних елементів, здатних рухатись всередині вхідної води і які можна виймати з вхідної води з водою гідратаційного шару на них, яку потім видаляють з цих елементів. Ці елементи можуть бути виготовлені з матеріалу, здатного електрично заряджатися і розряджатися відповідно при зануренні у вхідну воду і виведенні з вхідної води. Такі елементи можуть мати магнітні властивості, так що виведення їх з вхідної води можна здійснювати за допомогою елемента для магнітного виймання. Далі винахід буде описано у вигляді прикладів з посиланням на супровідні креслення. Фіг. 1 – перспективний вигляд першого варіанта пристрою для здійснення запропонованого способу. Фіг. 2 – схематичне зображення другого пристрою для здійснення запропонованого способу. Фіг. 3 – схематичне зображення третього пристрою для здійснення запропонованого способу. Фіг. 4 – поперечний розріз елемента для використання у пристрої з фіг. 3. На фіг. 1 показаний перший варіант запропонованого пристрою. Він включає порожнистий циліндричний корпус 10 з торцевими кришками 11, 12, відповідно з'єднаними з корпусом 10 на болтових фланцевих герметичних з'єднаннях 13, 14. Кінцеві кришки 12, 13 мають відповідні трубки 15, 16, одна з яких передбачена для впуску вхідної води у пристрій обробки, а інша – для її випуску. На торцях корпусу 10 є трубні решітки 17, 18, і між цими двома трубними решітками проходить ряд трубчастих елементів 20 для обробки води, які включають напівпроникні мембрани для здійснення зворотного осмосу між їхніми внутрішніми та зовнішніми поверхнями. Як правило, в середній частині корпусу 10 виконана випускна труба 21, що сполучається з простором, оточуючим трубки 20 між трубними решітками 17, 18. Всередині кожної трубки 20 знаходиться спіральний дротяний електрод, що щільно прилягає до її внутрішньої поверхні, як позначено числом 22. Під час експлуатації вхідна вода, наприклад морська, входить через одну з трубок 15, 16 і проходить по трубчастих елементах 20, щоб вийти через іншу з трубок 15, 16. На електроди 22 подають напругу прямокутного сигналу, що включає прямокутні імпульси з інтервалами. Під час цих імпульсів на електродах біля внутрішніх поверхонь елементів 20 утворюються гідратаційні шари. В інтервалах між прямокутними імпульсами чиста вода гідратаційного шару вивільняється і здатна проходити крізь мембрани елементів 20. Щоб осмотичне транспортування води гідратаційного шару проходило ефективно, у вхдній воді підтримують достатній тиск. Після проходження крізь мембрани елементів 20 очищену воду гідратаційного шару випускають через трубу 21. Вхідна вода, випущена з пристрою обробки, звичайно має більшу сольову концентрацію, ніж вода, впущена у пристрій. Як можливий варіант, замість електродів 22 можна забезпечити внутрішню поверхню трубчастих елементів 20 пористим електропровідним шаром, щоб гідратаційний шар утворювався на внутрішній поверхні елементів 20, а не поблизу них, як це відбувається при 2 UA 99811 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 використанні спіральних електродів 22. Пористий електропровідний шар, що дає можливість утворюватись гідратаційному шару на найбільшій можливій площі поверхні, можна виготовити з електропровідного пористого спіненого матеріалу. На фіг. 2 показаний інший варіант пристрою для здійснення винаходу, який включає порожнистий циліндричний елемент обробки 30 у приймачі 31, що містить вхідну воду, яку необхідно обробити, наприклад морську. Елемент 30 може обертатися навколо своєї центральної поздовжньої осі, позначеної числом 32, у напрямку стрілки 33, при цьому позначена числом 34 частина поверхні елемента 30 виступає над нормальним рівнем 35 вхідної води всередині приймача 31. Всередині елемента 30 розташовано заряджаючий електрод 36 і розряджаючий електрод 37, при цьому елемент 30 виготовлено з такого матеріалу, який може електрично заряджатися електродом 36 і підтримувати електричне поле, створене зарядом на зовнішній поверхні елемента 30, до розрядження його електродом 37. Електроди 36, 37 фактично є ємнісно зв'язаними з поверхнею елемента 30, на якій створюється електричне поле. Поруч з розряджаючим електродом 37 випускний трубопровід 38 для прісної води контактує із зовнішньою поверхнею елемента 30. Під час експлуатації при обертанні елемента 30 у напрямку стрілки 33 на ньому за допомогою заряджаючого електрода 36 утворюється заряд, який викликає утворення чистої води гідратаційного шару 40 на зовнішній поверхні елемента 30, і обертання елемента 30 змушує цей шар води виходити над поверхнею 35 вхідної води в зону біля розряджаючого електрода 37. Коли електричне поле на елементі зменшується до 0 завдяки розряджаючому електроду 37, вода гідратаційного шару може вільно стікати у трубопровід 38 для прісної води, і її можна доставляти, куди потрібно. На фіг. 3 і 4 показані приймач 50, наприклад трубопровід, що містить вхідну воду, наприклад морську. У пристрої використана велика кількість елементів обробки, як показано на фіг. 4, кожний з яких включає феритове осердя 51, здатне намагнічуватися та електрично заряджатися для підтримання електричного поля. Осердя 51 має покриття з електропровідного матеріалу 52, який надає елементу достатньої плавучості для плавання на поверхні вхідної води. Такий елемент при зарядженні негативним електричним зарядом буде оточений водою гідратаційного шару 53. На фіг. 3 показаний цим електродом і електрично заряджаються, і по мірі обертання електрода 56 його шнек 55, передбачений у дні приймача 50, що безперервно подає елементи до обертового заряджаючого електрода 56, три чверті периферії якого є намагніченими. Елементи збираються магнітне поле вимикається, і заряджені елементи випускаються у солону воду. Елементи спливають на поверхню приймача 50 і збираються збираючим валиком 57, аналогічним за конструкцією заряджаючому електроду. Розряджаючий електрод 58 знімає електричне поле з елементів, даючи можливість чистій воді текти у випускний трубопровід 59, а елементи обробки подаються по шляху 60 до шнека 55. Застосовані у даному описі та формулі винаходу терміни "включає", "що включає" та їхні варіанти означають, що зазначені ознаки, етапи або компоненти включено. Ці терміни не слід тлумачити як такі, що виключають наявність інших ознак, етапів або компонентів. Ознаки, розкриті у наведеному описі або у наступній формулі винаходу, або на супровідних кресленнях, виражені в їх конкретних формах або у термінології, що стосується засобу здійснення описаних функції, способу або процесу для досягнення описаного результату, відповідним чином можна, окремо або у будь-якій комбінації таких ознак, застосовувати для реалізації даного винаходу в різних його формах. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 1. Спосіб обробки води для отримання очищеної води з вхідної води, що містить розчинену речовину, при якому подають вхідну воду принаймні на одну поверхню обробки, яка включає напівпроникну мембрану, і піддають вхідну воду тиску, щоб викликати зворотно-осмотичний потік очищеної води крізь мембрану, який відрізняється тим, що напівпроникну мембрану оснащують електропровідним елементом або встановлюють близько біля неї електрод, шляхом подачі електричної напруги створюють на електропровідному елементі або на електроді електричне поле і утворюють в результаті гідратаційний шар води, який відводять, змушуючи текти через мембрану під тиском вхідної води. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що електричну напругу подають у вигляді прямокутного сигналу, що включає прямокутні імпульси, розділені інтервалами. 3 UA 99811 C2 5 3. Пристрій для обробки води для отримання очищеної води з вхідної води, що містить розчинену речовину, який включає принаймні одну поверхню обробки у вигляді напівпроникної мембрани, встановленої з можливістю подавати на неї під тиском вхідну воду, щоб викликати зворотно-осмотичний потік очищеної води крізь мембрану, який відрізняється тим, що мембрана оснащена електропровідним елементом або близько біля неї встановлено електрод з можливістю подання на електропровідний елемент або електрод електричної напруги для утворення в результаті цього гідратаційного шару води, змушуваного текти через мембрану під тиском, якому піддають вхідну воду. 4 UA 99811 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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 5