Способ очистки жидкостей и устройство (варианты) для его осуществления

 

Изобретение относится к способам и устройствам для очистки жидкостей. Способ включает пропускание жидкости через слой сорбента, помещенного в поле электрического тока, со скоростью не более 50 ч^-1 c регенерацией сорбента в поле электрического тока, при этом электрическое поле создают электроды, выполненные из материалов, образующих при контакте друг с другом химический источник тока. Устройства включают корпус, в котором размещены сорбент и электроды, при этом в одном из устройств электроды выполнены из материалов, образующих при контакте друг с другом химический источник тока, и размещены в сорбенте, в другом частицы сорбента выполнены из материала, образующего при контакте с материалом электродов химический источник тока, а в третьем электроды выполнены в виде частиц сорбента из материалов, образующих при контакте друг с другом химический источник тока. 4 с. и 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к физической химии, а именно к способам и устройствам для очистки жидкостей от инородных включений (микроорганизмов, взвешенных частиц, коллоидов), и может быть использовано для целей водоподготовки, очистки сточных вод и других жидкостей.

Наиболее широкое применение приобрели фильтрационные методы, часто с использованием сорбирующих фильтрационных материалов, основанные на пропускании жидкости через аппарат, содержащий корпус, в котором расположен фильтрующий элемент. В качестве последнего наряду с пористыми естественными и синтетическими материалами используют песок, антрацит, активный уголь, цеолиты и др.

Недостатком большинства указанных методов водоочистки является относительно невысокая степень очистки воды от микроорганизмов и коллоидов при сравнительно высоких скоростях фильтрации (более 1 м/ч).

Для повышения эффективности фильтрационных систем предложено использовать поляризацию фильтрующих насадок с помощью электрического поля.

Прототипом предлагаемой группы изобретений является способ очистки сточных вод (авт.св. СССР N 950681, кл. С 02 F 1/468, 15.08.82). заключающийся в том, что воду пропускают через глину или силикагель, помещенные в поле электрического тока напряженностью 1-100 В/см, причем скорость подачи воды составляет (5-7)·10^-4 м/сек. Очистка ведется многоступенчато на том же сорбенте с повышением напряженности поля от цикла к циклу на 5-25 В/см.

Используемое устройство электролитическая ячейка состоит из корпуса, разделенного мембранами на три емкости, в одну из которых помещен сорбент, а в две другие электроды, подключенные к источнику тока. В качестве электродов используют графитовые или платиновые пластины.

Регенерацию сорбента проводят после отключения тока его промывкой водой.

Недостатком способа и устройства являлось низкая эффективность разделения, низкие скорости очистки, многостадийность, большие затраты электроэнергии.

Задача изобретения снижение затрат электроэнергии и повышение эффективности очистки жидкостей, упрощение технологии процесса.

Задача решалась за счет того, что в качестве сорбента использовали частицы, способные поляризоваться в поле электрического тока, причем в качестве источника тока применяли электроды, состоящие из веществ, способных при контакте образовывать химический источник тока (гальваническую пару), процессы регенерации осуществляли без отключения электрического тока, а скорость подачи жидкости не превышала 50 ч^-1.

Электрический ток возникает между отдельными парами электродов, вводимых в контакт в результате того, что в качестве материала для их изготовления применяют вещества, достаточно далеко отстоящие друг от друга в электрическом ряду напряжений, например углесодержащие материалы, платина или серебро (в качестве анода) и алюминий, цинк, нержавеющая сталь, титан, цирконий (в качестве катода). Для неводных жидкостных систем могут использоваться натриевые и литиевые электроды. Разность электрических потенциалов между электродами электроколонки предлагаемого очистительного устройства образуется за счет химической энергии окислительно-восстановительных реакций, которые протекают на электродах при их замыкании внешней цепью. Окислителями и восстановителями, отдающими или приобретающими электроны на поверхности разнородных электродов, погруженных в раствор, которым является по существу любая проба воды, являются анионы и катоны (в первую очередь, ионы гидроксила и протоны, образующиеся при спонтанной диссоциации воды).

Напряженность электрического поля устанавливалась, исходя из природы и степени загрязненности жидкостей, однако, как показали экспериментальные данные, надежная очистка от загрязнений различной природы достигается при напряженности не менее 1 В/см.

Для эффективной очистки процесс осуществляется в кипящем слое сорбента, для поддержания которого размер частиц не должен превышать половины расстояния между соседними электродами, составляющего, как правило, 0,3-3,0 мм.

В качестве сорбентов используют суспензии частиц из поляризующегося в электрическом поле материала, например, сегнетокерамики, кварцевого песка, дробленой цеолитовой или мраморной крошки, ионообменых смол, магнетита, шунгита, активированного угля, хитозана и т.п.

Регенерация сорбента проводится потоком жидкости, скорость которого по крайней мере в 1,5 раза выше, чем скорость жидкости в режиме очистки, причем оптимальным представляется подача регенерирующей жидкости в направлении, обратном очистке.

Cпособ очистки воды реализуется в одном из трех вариантов устройств, общим для которых является наличие корпуса, во внутренней емкости которого размещен химический источник электрического поля и дисперсный поляризующийся в поле материал. При этом химический источник поля может быть образован за счет взаимодействия помещаемых в одну емкость с сорбентом двух электродов, образующих гальваническую пару, одного электрода, образующего гальваническую пару с одной из частей сорбента; не менее двух компонентов сорбента, образующих между собой гальваническую пару. Возможно также сочетание указанных признаков в одном сорбенте.

Общая схема основного варианта устройства изображена на фиг. 1.

Устройство состоит из корпуса 1, снабженного входным 2 и выходным 3 штуцерами, имеющими запорные решетки 4 и 5, между которыми установлены положительные 6 и отрицательные 7 электроды, замкнутые между собой.

Штуцера могут быть дополнительно оборудованы регулирующими устройствами (задвижками) 8.

В зазорах между электродами, которые устанавливаются равными 0,3 3,0 мм, помещаются гранулы поляризуемого наполнителя (насадки) 9, например, сегнетокерамический порошок, кварцевый песок, дробленая цеолитовая или мраморная крошка, гранулы сорбента на основе хитохана или ионообменых смол.

В целом совокупность элементов 1 9 образует электроколонку, которая может устанавливаться на горизонтальной поверхности (столе, полу) с помощью подставки (основания) или штатива, или закрепляться вертикально на стене.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость через патрубок 2 со скоростью, устанавливаемой регулирующим устройством (вентилем) 8, поступает в корпус 1, проходит через сорбент 9, поляризованный полем, создаваемым электродам 6 и 7, причем примеси сорбируются на сорбенте, после чего жидкость покидает корпус через патрубок 3.

При регенерации подача жидкости через патрубок 2 прекращается. Промывочная жидкость подается через патрубок 3 со скоростью, превышающей скорость очистки как минимум в 1,5 2 раза (скорость устанавливается вентилем 8 на патрубке 3), после чего проходя через сорбент 9, поляризованный полем электротока, создаваемого электродами 6 и 7, вымывает сорбированные примеси и через патрубок 2 уходит в слив. Время очистки, как правило, составляет 8 10 ч, время регенерации 0,5 15 мин.

Срок службы устройства без смены сорбента не менее 2 3 лет.

Отличиями предлагаемого устройства от прототипа являются размещение источника тока в одной емкости с сорбентом, природа материала сорбента и электродов, а также размеры частиц сорбента.

Схема второго варианта устройства приведена на фиг. 2. Как и в первом варианте состоит из корпуса 1, снабженного входным 2 и выходным 3 штуцерами, имеющими запорные решетки 4 и 5, между которыми во внутренней емкости корпуса установлен электрод 6 (может быть выполнен из того же материала, что и корпус), образующий с материалом сорбента 9 гальваническую пару (химический источник тока).

В межэлектродном пространстве размещены частицы сорбента 9, а патрубки снабжены вентилями (регенерирующими устройствами) 8.

Работа устройства по варианту 2 полностью эквивалентна аналогична работе по варианту 1.

Устройство по варианту 3 изображено на фиг. 3 и состоит из корпуса 1 со штуцерами 2 и 3, снабженными вентилями 8 и запорными решетками 4 и 5. В корпусе размещен сорбент 9, материал которого способен образовывать гальваническую пару между компонентами материалов, входящих в состав сорбента.

Работа устройства по варианту 3 аналогична их работе по варианту 1.

Особенностью предлагаемых способа и всех вариантов устpойства является то, что они обеспечивают реализацию высокоэффективного электросорбционного принципа очистки при отсутствии энергопотребления от внешнего источника электрического тока (блока электропитания) обеспечивается высокое качество очистки при снижении энергозатрат и повышении техники безопасности за счет исключения какой-либо возможности поражения оператора электрическим током.

Данные способ и устройство в литературе по водоочистке не описаны, что свидетельствует о соответствии заявляемых технических решений критерию существенной новизны.

Способ и созданное для его реализации устройство показали высокую эффективность при очистке воды из достаточно загрязненных источников при большом удобстве и абсолютной электробезопасности в работе.

Практическая эффективность способа и устройства иллюстрируется примерами.

Пример 1. Воду, взятую из пожарного водоема вблизи НИИ Химволокно, пропускали через устройство, состоящее из 10 пар анодов и катодов, изготовленных из пищевого алюминия и угленаполненного полиэтилена. Все электроды были соединены между собой накоротко. Зазоры между электродами, размеры которых составляли 600х150 мм, равнялись 1,5 2,0 мм. Зазоры между электродами были заполнены порошком сегнетокерамики Т-11 000 с диэлектрической проницаемостью 15 000. Размеры гранул сегнетокерамики находились в интервале 0,25 0,63 мм. Напряженность электрического поля в межэлектродных зазорах равнялась 7 9 В/см. Скорость прокачки воды составляла 2,5 и 7,0 л/ч. Регенерация электросорбента осуществлялась после 20 ч работы устройства прокачкой чистой воды в обратном направлении при скорости 12 14 л/ч в течение 5 мин.

Замеры разности потенциалов между внешними поверхностями устройства и шиной "Земля", производившиеся на протяжении всего эксперимента доли значения, не превышающие 1 мВ, что на много порядков ниже пороговых значений, представляющих опасность для здоровья человека.

Анализ воды производился измерением оптической плотности (Д) с помощью спектрофотометра СФ-26 фирмы ЛОМО при длине волны 460 нм, а также путем высева проб на питательные среды с целью определения коли-индекса (КИ) и общей микробной обсемененности (ОМО). Высев осуществляли помещением 0,1 мл жидкости в чашки Петри с питательными средами (Эндо, мясо-пептонный агар) и инкубацией их в течение 24 ч при 36-38^oC. Концентрация ионов железа ([Fe]), которые выводились из воды в виде микрочастиц гидроксидов, контролировалась атомно-абсорбционным методом с помощью спектрометра фирмы "Перкин Элмер".

Результаты очистки приведены в табл. 1.

Из табл. 1 следует, что исходно непригодная для питья обсемененная микроорганизмами вода после указанной обработки стала отвечать требованиям, предъявляемым к питьевой воде действующими стандартными, оказавшись, по существу, стерильной.

Пример 2. В условиях примера 1 с использованием в качестве насадки кварцевого песка прокачивалась вода со скоростью 2 и 10 л/ч. Данные, полученные с помощью вышеуказанных аналитических методик и характеризующие степень очистки воды, а также качество регенераций насадки приведены в табл. 2.

Данные табл. 2 показывают, что очистка с помощью заявляемых способа и устройства возможны также и при использовании не только сегнетокерамики, но и кварцевого песка. При этом достигаются хотя и несколько худшие, но вполне приемлемы параметры очистки.

Аналогичные результаты были получены при загрузке в устройство хитозановых гранул, мраморной крошки, композиционных сорбентов на основе полистиролового бисера, покрытого сегнетокерамической крошкой.

Пример 3. В условиях примера 1 для очистки воды использовалось аналогичное устройство (вариант 2), отличающееся тем, что в нем отсутствовала система углепластиковых электродов, а функции последних были переданы дисперсному наполнителю, в качестве которого использовались гранулы шунгита размером 0,4 1,0 мм, напряженность поля составляла 1 2 В/см.

Полученные экспериметальные данные приведены в табл. 3.

Как следует из приведенных данных, предлагаемые способ и устройство очистки жидкостей весьма эффективны, не требуют дополнительных энергозатрат, технически просты и исключают любые возможности поражения оператора электрическим током, поэтому они особенно подходят для очистки воды в бытовых, а также полевых и походных условиях.

Пример 4. В условиях примера 3 использовалась устройство, корпус которого представлял собой цилиндрическую колонку диаметром 50 мм и длиной 450 мм, изготовленную из отрезка полиэтиленовой трубы с входным и выходным штуцерами на торцах, защищенными капроновыми сетками. Колонку заполняли смесью гранул из шунгита (как в примере 3) и алюминиевой стружкой в примерно равной объемной пропорции.

Результаты эксперимента приводятся в табл. 4.

Формула изобретения

1. Способ очистки жидкостей, включающий пропускание их через слой сорбента, помещенного в поле электрического тока, создаваемое электродами, с последующей регенерацией сорбента, отличающийся тем, что жидкость пропускают со скоростью не более 50 ч^-1, частицы сорбента поляризуют полем электрического тока, электроды выполняют из материалов, образующих при контакте друг с другом химический источник тока, а регенерацию сорбента осуществляют в поле электрического тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку жидкостей осуществляют при напряженности электрического поля не менее 1 В/см.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют частицы, размер которых не превышает половины расстояния между соседними электродами.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что регенерацию сорбента осуществляют потоком жидкости со скоростью, не менее чем в 1,5 раза превышающей скорость потока очищаемой жидкости.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что регенерирующую жидкость подают в направлении, обратном потоку очищаемой жидкости.

6. Устройство для очистки жидкостей, содержащее корпус, в котором размещены сорбент и электроды, создающие поле электрического тока, отличающееся тем, что электроды размещены в сорбенте, при этом электроды выполнены из материалов, образующих при контакте друг с другом химический источник тока, а частицы сорбента выполнены из материала, поляризующегося в поле электрического тока, причем размер частиц не превышает половины расстояния между соседними электродами.

7. Устройство для очистки жидкостей, содержащее корпус, в котором размещены сорбент и электроды, отличающееся тем, что электроды размещены в сорбенте, при этом частицы сорбента выполнены из материала, образующего при контакте с материалом электродов химический источник тока.

8. Устройство для очистки жидкостей, содержащее корпус, в котором размещены сорбент и электроды, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде частиц сорбента из материалов, образующих при контакте друг с другом химический источник тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5