Способ сорбционной очистки воды и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к обработке воды и может быть использовано для очистки питьевой воды в бытовых условиях, предприятиях пищевой промышленности и т.д. и позволяет обеспечить комплексную очистку воды от загрязняющих и токсичных примесей неорганических и органических веществ, а также микроорганизмов. Способ сорбционной очистки воды включает пропускание последней последовательно через слои угольного материала со скоростью 10-50 удельных объемов в 1 ч по отношению к объему слоев угольного материала, находящихся под электрическим потенциалом при напряжении постоянного тока 3-12 В. Устройство сорбционной очистки воды состоит из корпуса с перегородкой, разделяющей его на камеры предподготовки и очистки, двух слоев угольного материала (гранулированного активированного угля), диафрагм и источника постоянного тока. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 4 табл.

Изобретение относится к обработке воды, а именно к очистке питьевой воды, и может быть использовано для локальной очистки водопроводной воды в бытовых условиях, на предприятиях пищевой промышленности, детских учреждениях и предприятиях здравоохранения. Изобретение может быть также использовано на промышленных станциях водоочистки.

Известен способ очистки воды, включающий пропускание последней через активированный уголь [1] Этот способ позволяет частично удалять из воды растворенные органические примеси, хлор, микроорганизмы за счет сорбции на активированном угле. Основными недостатками указанного способа являются низкая степень очистки воды от растворенных природных органических веществ, особенно гуминовых и фульво-кислот, невозможность осуществления указанным способом очистки воды от токсичных неорганических примесей ионного характера, возможность зарастания слоя сорбента токсичными микроорганизмами в процессе эксплуатации.

Известно устройство для очистки воды, которое представляет собой емкость, заполненную активированным углем, а также патрубки для ввода и вывода воды [1] Однако это устройство малоэффективно, так как не обеспечивает длительного по времени защитного действия сорбента.

Наиболее близким к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ, по которому воду пропускают последовательно через слои угольного материала [2] В качестве первого слоя используют гранулированный активированный уголь, в качестве второго - микропористую угольную ткань. Способ позволяет достичь высокой степени очистки воды от органических примесей, однако не обеспечивает комплексной очистки воды одновременно от неорганических, органических и биологических примесей.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для сорбционной очистки воды, включающее корпус с двумя слоями угольного материала и патрубками ввода и вывода воды /2/. В данном устройстве в корпусе устройства размещены внутренний элемент (первый слой) из гранулированного активированного угля и внешний элемент (второй слой) из микропористой угольной ткани. Очищаемая вода проходит через перфорированный канал, внутренний и внешний элементы устройства и выводится из корпуса через патрубок. Недостатками известного устройства являются возможность быстрой кальматации микропористой ткани, необходимость разборки устройства для удаления механических примесей, необходимость использования специальных приспособлений для достижения герметичности. Основным недостатком устройства является невозможность осуществления на нем комплексной очистки воды.

Решаемыми задачами являются для способа обеспечение комплексной очистки воды от загрязняющих и токсичных примесей неорганических и органических веществ, а также микроорганизмов, для устройства создание устройства, позволяющего осуществлять комплексную очистку воды, не требующую дополнительных приспособлений для достижения герметичности, и имеющего возможность периодически удалять механические примеси за счет подачи обратного тока воды.

Поставленная задача решается тем, что в способе сорбционной очистки воды путем пропускания последней последовательно через слои угольного материала, воду пропускают со скоростью 10-50 удельных объемов в 1 ч по отношению к объему слоев угольного материала, находящихся под электрическим потенциалом при напряжении постоянного тока 3 12 В.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве сорбционной очистки воды, включающем корпус с двумя слоями угольного материала и с патрубками ввода и вывода воды, устройство снабжено перегородкой, установленной в корпусе и разделяющей его на соединенные между собой камеры предподготовки и очистки, заполненные соответственно первым и вторым слоями угольного материала, диафрагмами из диэлектрического материала и источником постоянного тока, боковые стенки камер выполнены из электропроводящего материала и соединены с источником постоянного тока, диафрагмы расположены между стенками камер, находящимися под анодным потенциалом, и слоями угольного материала, находящимися под катодным потенциалом, и выполнены в камере предподготовки из материала с гидродинамическим сопротивлением меньшим, чем сопротивление первого слоя, а в камере очистки из материала с гидродинамическим сопротивлением большим, чем сопротивление второго слоя, патрубки расположены с противоположной стороны соединения камер, причем патрубок ввода воды расположен в камере предподготовки, а патрубок вывода воды расположен в камере очистки, при этом в качестве слоев угольного материала используют засыпку гранулированного активированного угля.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства, разрез; на фиг.2 вид А-А на фиг. 1; на фиг.3 вид В-В на фиг. 1.

Новизна предлагаемых способа и устройства связана с использованием активированных углей одновременно в качестве объемного электрода и сорбента, за счет происходящих электрохимических процессов на поверхности которого обеспечивается эффективная комплексная очистка воды. Суть происходящих процессов может быть описана следующим образом. Типичные загрязнения питьевой воды можно разделить на 4 класса: неорганические вещества, катионы тяжелых металлов (свинец, медь, ртуть, кадмий и др.), катионы цветных металлов (хром, никель, кобальт, цинк и др.), избыточные количества железа и его соединений в растворенной и нерастворенной формах, хлор, серосодержащие соединения, нитраты, бораты; природные органические вещества, в основном гуминовые и фульво-кислоты и их производные; промышленные органические вещества, фенолы, хлорорганика, образуемая в промышленных системах водоподготовки, токсичные органические вещества, используемые в агрохимии, в производстве красителей и др.

биологически активные вещества, микробы и бактерии (чаще всего, кишечная палочка) и др.

В процессе пропускания воды через электрически поляризованный слой активированного угля и в процессе протекания электрохимических реакций с образованием атомарного кислорода происходят деструкция комплексных соединений гуминовых и фульво-кислот и осаждение продуктов разложения в фазе сорбента. Хлор, нитрат- и борат- анионы и оксихлорсоединения поглощаются, а также восстанавливаются, например, до хлорид-аниона и азота в катодном процессе. Органические вещества (фенолы, хлорорганические соединения) физически сорбируются в высокопористом материале. Микроорганизмы разрушаются под действием анодного процесса при потенциалах, соответствующих разряду кислорода, а продукты разложения адсорбируются углем. В данном процессе атомарный кислород восстанавливается, и чистая вода насыщается молекулярным кислородом, за счет чего одновременно с очисткой воды происходит ее кондиционирование и улучшение органолептических свойств.

Предложенные способ и устройство обеспечивают комплексную очистку и кондиционирование воды без изменения требуемых для питьевой воды микро- и макросостава за счет использования активированных углей одновременно в качестве сорбента и объемного электрода и за счет специальной конструкции устройства и условий проведения процесса.

Авторам неизвестны какие-либо еще способы и устройства, обеспечивающие комплексную очистку питьевой воды при использовании только активированных углей в качестве сорбентов.

При осуществлении способа целесообразно поддерживать напряжение на электроадсорбере в пределах 3 12 В. При уменьшении напряжения эффективность процесса очистки снижается, при увеличении потенциала на слое угля выше 12 В уменьшается срок службы объемного электрода при неизменной эффективности. Оптимальное напряжение зависит от свойств исходной перерабатываемой воды и может быть подобрано по результатам анализа воды в различных условиях в пределах указанного диапазона электрических напряжений.

Целесообразно поддерживать скорость пропускания воды через слои угольного материала в пределах 10-50 удельных объемов в 1 ч по отношению к суммарному объему слоев угольного материала. Уменьшение скорости менее чем 10 ч^-1 не увеличивает глубину очистки при меньшей производительности, увеличение скорости выше 50 ч^-1 приводит к уменьшению глубины очистки и к снижению времени защитного действия однократной загрузки сорбента. Оптимальная скорость (внутри указанного диапазона) зависит от свойств исходной перерабатываемой воды и может быть подобрана опытным путем.

При соблюдении оптимальных режимов емкость слоев угольного материала в электросорбционном процессе при достижении эффективности комплексной очистки воды может сохраняться в течение одного года и больше.

Пример 1. Через устройство, показанное на фиг.1, при засыпке 200 мл активированного угля марки СКН с размером зерен 20 100 мкм в течение 3-х суток непрерывно пропускают перерабатываемую воду со скоростью 5 л/ч при напряжении на электроадсорбере 9 В. Исходная вода взята из скважины, используемой для питьевых целей в одном из детских оздоровительных учреждений г. Зеленогорска Ленинградской области. Сила тока во внешней цепи при напряжении 9 В составляет 60 ма. В табл.1 и 2 приведены результаты анализов исходной и обработанной воды после выхода процесса на стационарный режим (что контролируют предварительными анализами). Как видно из данных таблиц, в процессе обработки в 100 раз снижается концентрация общего гумуса, содержание железа в очищенной воде соответствует нормам, полностью удаляется кишечная палочка и сероводород, вода из слабо-щелочной становится нейтральной, происходит частичное умягчение при сохранении общего баланса макрокомпонентов.

После осуществления процесса непрерывно в течение 10 суток производят операцию регенерации и очистки слоев угольного материала от механических примесей подаче воды в обратном направлении со скоростью 10 л/ч в течение 15 мин при переполюсовке электрических потенциалов. Приводят устройство в исходное состояние и продолжают процесс очистки воды с получением очищенной воды состава, показанного в табл.1 и 2.

Пример 2. Проводят процесс как в примере 1, за исключением того, что через электроадсорбер пропускают водопроводную воду г. Санкт-Петербурга. Скорость пропускания воды 8 л/ч, напряжение на электроадсорбере 6 В, сила тока 40 ма. В табл.3 и 4 приведены результаты анализов исходной и очищенной воды после выхода процесса на стационарный режим. Как видно из данных таблиц, значительно снижается содержание токсичных металлов, полностью удаляется растворенный хлор, практически полностью удаляются гумус, нитрат- и борат-ионы. Происходит частичное умягчение воды при сохранении общего баланса макрокомпонентов, pH воды, как и в примере 1, становится равным 7,4, что наиболее оптимально для питьевых воды бикарбонатного типа.

Устройство, показанное на фиг.1-3, состоит из корпуса в виде плоского параллелепипеда. Корпус имеет рамку 1 из диэлектрического материала, например, тефлона или полиэтилена, и боковые стенки 2 и 3, выполненные из электропроводящего материала, например титана. Корпус снабжен перегородкой 4, разделяющей его на соединенные между собой камеры предподготовки и очистки. Камеры заполнены соответственно первым 5 и вторым 6 слоями угольного материала, в качестве которого используют засыпку гранулированного активированного угля. Корпус снабжен патрубками ввода 7 и вывода 8 воды. Патрубки 7 и 8 расположены с противоположной стороны соединения камер, при этом патрубки ввода 7 расположены в камере предподготовки, а патрубок вывода 8 расположен в камере очистки.

Устройство снабжено источником постоянного тока (не показан), подсоединенным к боковым стенкам камер 2 и 3, и диафрагмами 9 и 10 из диэлектрического материала, расположенными между первой боковой стенкой 3 корпуса, находящейся под анодным потенциалом, и слоями 5 и 6, находящимися под катодным потенциалом (за счет подключения второй боковой стенки 2 корпуса к отрицательному полюсу источника постоянного тока). Диафрагмы 9 и 10 соответственно выполнены в камере предподготовки из материала с гидродинамическим сопротивлением, меньшим, чем сопротивление первого слоя 5, а в камере очистки из материала с гидродинамическим сопротивлением, большим, чем сопротивление второго слоя 6.

Изобретение поясняется табл. 1-4.

Устройство работает следующим образом. Перерабатываемая исходная вода подается через патрубок ввода 7 последовательно в камеру предподготовки, а потом в камеру очистки и через патрубок вывода 8 выходит в виде очищенной и кондиционированной воды. При этом из-за меньшего, чем у слоя 5 гидродинамического сопротивления диафрагмы 9, в камере предподготовки вода преимущественно протекает через анодное пространство (между боковой стенкой и диафрагмой), а в камере очистки из-за большего, чем у слоя угля 6 гидродинамического сопротивления диафрагмы 10, вода преимущественно протекает через катодное пространство (через слой угля 6, являющийся электросорбентом). В анодном пространстве (камере предподготовки) происходят основные электроокислительные процессы, включая образование атомарного водорода, разрушение комплексов гумуса с тяжелыми металлами, частичное разрушение бикарбонатных комплексов, частичное образование и сорбция гидроксидов металлов, разрушение микроорганизмов. В катодном пространстве (камере очистки) происходят восстановительное разрушение и сорбция токсичных анионов, поглощение хлора и хлорорганики, фенолов, полное поглощение остатков окислительного разрушения токсичных веществ в камере предподготовки, образование молекулярного кислорода и насыщение им воды.

Предлагаемые способ и устройство за счет использования специальных условий проведения процесса и специальной конструкции обеспечивают комплексную очистку питьевой воды. Дополнительные затраты при этом по сравнению с обычными способами и устройствами с использованием активированных углей несоизмеримо малы по сравнению с достигаемым эффектом. В частности, потребляемая электрическая мощность для устройства производительностью 10 л/ч. которое может быть использовано в бытовых условиях, не превышает 1 Вт.

Формула изобретения

1. Способ сорбционной очистки воды, включающий последовательное пропускание воды через два слоя угольного материала, отличающийся тем, что воду пропускают со скоростью 10 50 удельных объемов в час относительно объема слоев угольного материала, находящегося под катодным потенциалом при напряжении постоянного тока 3 12 В, а в качестве слоев угольного материала используют засыпку гранулированного активированного угля.

2. Устройство для сорбционной очистки воды, содержащее корпус с двумя слоями угольного материала, патрубки ввода и вывода воды, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено перегородкой, установленной в корпусе и разделяющей его на соединенные между собой камеры предподготовки и очистки, заполненные соответственно первым и вторым слоями угольного материала, диафрагмами, выполненными из диэлектрического материала, и источником постоянного тока, диафрагмы расположены между стенками камер, выполненными из электропроводящего материала и соединенными с положительным полюсом источника тока, и слоями угольного материала, соединенными с отрицательным полюсом источника тока, и выполнены в камере предподготовки из материала с гидродинамическим сопротивлением меньшим, чем сопротивление первого слоя, а в камере очистки из материала с гидродинамическим сопротивлением большим, чем сопротивление второго слоя, патрубки ввода и вывода воды расположены на противоположных стенках корпуса, при этом патрубок ввода воды расположен в камере предподготовки, а патрубок вывода воды в камере очистки, слои угольного материала выполнены в виде засыпки гранулированного активированного угля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3