Способ очистки воды и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к водоподготовке. Способ основан на последовательной очистке питьевой воды электролизом и сорбцией вначале при помощи сильнокислотного сульфокатионита, а затем с использованием активированного угля СГН-30А. Способ и предлагаемое устройство позволяют очищать воду от тяжелых металлов, солей жесткости, органических соединений и хлора. Значительный ресурс работы фильтра (6-8 тыс.литров) и высокое качество очистки делают устройство удобным и практичным в быту. 2 с.п.ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области водоподготовки, конкретно к способам доочистки питьевой воды, и может быть использовано в быту для очистки водопроводной воды.

Известен способ очистки воды с помощью устройства, выполненного в виде цилиндрической обечайки с входными и выходными штуцерами для воды, причем внутреннее пространство обечайки разделено по высоте тремя перегородками на зоны. Между перегородками, имеющими перфорацию, помещены слоями фосфорнокислый эфир целлюлозы (ФЭЦ), карбоксилсодержащий катионит и активированный уголь в объемном соотношении трех последних сорбентов, равном 1:(1-5):(4-10) при соотношении объема ФЭЦ и других сорбентов, равном 1:(2-5) [1]. К недостаткам способа следует отнести невысокую скорость потока очищаемой воды, а также возможность поступления в фильтрат значительных количеств ионов натрия, что ухудшает вкус воды.

Известно устройство для получения питьевой воды, в котором очистку производят путем пропускания воды через пять последовательно соединенных патронов с иодсодержащей анионообменной смолой, активированным углем и смесью анионообменных смол [2]. Известное техническое решение не лишено недостатков, среди которых в первую очередь следует назвать громоздкость устройства и неудобство его эксплуатации в быту. Кроме того, устройство позволяет очищать воду лишь от очень высоких концентраций загрязнителей и остаточная концентрация ряда тяжелых металлов остается на достаточно высоком уровне.

Анализ современного уровня техники показывает, что наиболее близким к предлагаемому по сущности и достигаемому результату является способ и устройство для получения питьевой воды [3], предложенное для очистки воды от взвешенных веществ и органических соединений, среди которых красители и синтетические поверхностно-активные вещества. Известное устройство включает последовательно соединенные электродную камеру с электродами и камеру сорбции, выполненную в виде лотка корытообразной формы, на стыке днищ и боковых стенок которого установлены турболизаторы в виде пластин. На выходе лотка установлен элемент разделения потока. Еще два лотка соединяют камеру сорбции с емкостью отстоя воды. Емкости между собой соединены трубой. Способ включает пропускание исходной воды через первую камеру, при этом за счет растворения материала электродов образуется коагулянт, который в камере сорбции увеличивается в размерах и всплывает. Элемент разделения потока направляют воду с коагулянтом в одну емкость, а через другой лоток поступает очищенная вода.

К недостаткам способа следует отнести сложность конструкции, неэффективность очистки по тяжелым металлам, а также по хлору и анионам. Очистка, основанная только на эффекте электрокоагуляции, ведет к быстрому расходованию материала электродов, пассивации и возникновению перенапряжения на их поверхности, что, безусловно, сказывается на качестве очистки.

Цель изобретения - повышение степени очистки воды по тяжелым металлам, анионам и хлору.

Поставленная цель достигается тем, что воду последовательно пропускают вначале через электролизер, а затем - через систему фильтров. В электролизере при напряжении 16 - 18В и силе тока 150мА - 2А происходит первичная очистка воды от загрязнителей - катионов тяжелых металлов: железа, кадмия, цинка, меди, свинца. Далее очищаемая вода поступает на промежуточный фильтр, представляющий собой сильнокислотный сульфокатионит в H⁺-форме, где происходит очистка от ионов алюминия и других положительно заряженных ионов. Завершает очистку сорбция на основном фильтре, заполненном в качестве фильтрующего материала активированным углем нового поколения марки СГН - 30А на основе графита гранулометрического состава 0,5 - 3 мм. Объемное соотношение сорбентов, заполняющих промежуточный и основной фильтры, сульфокатионит : активированный уголь (0,04 - 0,06):1.

Сущность изобретения заключается в следующем. В процессе электролиза анод растворяется, в раствор переходят ионы алюминия, образующие в воде гидроксид алюминия. Гель Al(OH)₃, на который в процессе электрокоагуляции сорбируются положительно заряженные ионы, выступает в роли коллектора загрязнений. На катоде при этом восстанавливаются присутствующие в воде анионы, например, роданиды, бихроматы, катионы меди и, если он попадают в питьевую воду, катионы ртути и некоторые органические соединения, например, фенолы, которые относятся к наиболее токсичным загрязнителям. Опытным путем установлено, что в зависимости от загрязнителей, после электролизера в очищаемой воде остается от 35 до 65% примесей, полностью разлагается остаточный хлор, в 5 - 6 раз снижается содержание железа. Последовательная сорбция на сульфокатионите и активированном угле удаляет из воды остатки загрязнений тяжелыми металлами, анионами, органическими веществами и смягчает воду.

Сущность изобретения поясняется чертежом. Корпус предлагаемого устройства состоит из двух частей (1) и (2) с подводящим патрубком и верхней крышки (3) с отводящим патрубком. В нижней части корпуса расположены электроды. Анод (4), изготовленный из алюминия марки А-5, на одном конце которого закреплен через резиновую прокладку фланец с резьбой и проводом для подключения через разъем к положительному полюсу блока питания (5), а на другом - диэлектрик, выполненный в виде поршня и имеющий отверстия для беспрепятственного прохождения воды. Катод (6) выполнен из меди в виде трубки, на одном конце в центре которой расположен патрубок для выхода воды, а на другом нарезана резьба для подсоединения фланца с анодом. Блок питания (5) имеет защиту от короткого замыкания, повышения температуры, а также световую и звуковую сигнализацию о загрязнении блока электродов. При загрязнении блок питания автоматически отключается и работает только сигнализация. Промежуточный фильтр (7) предназначен для сорбции катионов алюминия и остатка тяжелых металлов, уменьшения жесткости, а на основном фильтре (8) вода очищается от анионов, органических примесей и некоторых катионов. По центру и периферии перегородок перед фильтрами выполнены отверстия для прохождения воды. Количество отверстий должно быть достаточно для обеспечения фильтрации воды со скоростью не менее 400 - 800 мл/мин. После фильтра с активированным углем помещена прокладка, предотвращающая вымывание угольной пыли при каждом включении. Выходной патрубок (9) выполнен легкосъемным и имеет угол поворота вправо и влево.

Устройство работает следующим образом. Очищаемая вода через насадку, легко навинчивающуюся на кран, проходит по шлангу, входному патрубку катода и поступает в электролизер, в полую трубку катода, где происходит первичная очистка за счет электрокоагуляции. Затем по медной трубке вода поднимается вверх и попадает в камеру, где находится промежуточный фильтр и далее к основному фильтру. Очищенная вода через фильтрующую прокладку, задерживающую частицы угля, поступает в выходной патрубок. После набора нужного количества воды шланг снимается с крана и опускается в раковину. Столб воды с высоты около 0,5 м противотоком направляется к входному патрубку, увлекая за собой механические примеси, продукты электрокоагуляции и очищая таким образом фильтр и обеспечивая максимальную эффективность использования сорбентов. Это позволяет увеличить ресурс работы фильтра до 6 - 8 м³.

Выбор электрических параметров, задаваемых для электрокоагуляции, обусловлен и литературными, и экспериментальными данными. Именно в этом диапазоне значений тока и напряжения происходит электролиз с растворением анода и электрокоагуляция примесей. Увеличение напряжения или тока приводит к появлению в зоне очистки фильтров дополнительного количества катионов, в том числе алюминия, хрома, железа. Снижение напряжения и тока не приводит к появлению геля Al(OH)₃ и первичной очистке в электролизере не происходит. Выбор материала анода - алюминия обусловлен тем, что на образующем геле гидроксида легко идет процесс электрокоагуляции и достигается высокая степень очистки и в то же время гель вместе с сорбированными примесями может быть легко удален из зоны очистки обратным током воды после отключения фильтра. Остатки ионов алюминия удерживаются промежуточным фильтром с катионитом. В то же время физические свойства геля, например, Fe(OH)₃, который образуется при использовании в качестве материала для анода железа, не позволяют очищать полость катода, что приводит к быстрому загрязнению электролизера и выходу из строя всего блока электродов.

Марка активированного угля выбрана на основании результатов измерения его сорбционной емкости, а также медицинских испытаний. Объемное соотношение сорбентов - сильнокислотного катионита в H⁺-форме и активированного угля СГН - 30А, равное (0,04 - 0,06):1, выбрано экспериментально по принципу достижения максимальной очистки воды. При увеличении доли активированного угля происходит снижение глубины очистки по катионам алюминия и хрома, а значение pH очищенной воды снижается до 5,9 - 6,1 в зависимости от количества активированного угля. Такая вода не соответствует ГОСТу и не может является питьевой. Увеличение доли сильнокислотного катионита более 1,2 по объему приводит к уменьшению ресурса очищаемой воды за счет снижения эффективности очистки по органическим примесям.

При исследовании качества воды использовались методы испытаний, предусмотренные ГОСТами для анализа питьевой воды на вкус, запах, цвет, величину pH, присутствие хлора, анионов, ионов жесткости, фенолов, хроматографическим методом для определения канцерогенных полиароматических углеводородов, а также атомно-абсорбционным и плазменно-спектрометрическим методом для определения металлов.

Работоспособность устройства проверяли по его пропускной способности, степени очистки воды от токсичных органических и неорганических примесей, механических загрязнений, скорости прохождения воды через устройство.

Пример 1 (прототип) В устройство для получения питьевой воды подавали очищаемую водопроводную воду с известным содержанием примесей (таблица 1). Воду пропускали через электродную камеру и камеру сорбции. Коагулянт отделяли на выходе из камеры, чистую воду собирали и анализировали после прохождения 300, 500 и 700 л. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 2. В устройство для получения питьевой воды подавали очищаемую водопроводную воду. Пропускали ее через электролизер, подавая напряжение 16В и поддерживая силу тока 0,8 А/м², а затем через промежуточный и основной фильтры, заполненные сильнокислотным сульфокатионитом КУ-234 в H⁺-форме и активированным углем марки СГН-30 А соответственно. Объемное соотношение сорбентов составляло катионит : активированный уголь 0,06:1. Воду собирали и анализировали после 300, 500 и 700 л. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 3. Очищаемую воду пропускали через устройство, как описано в примере 2. Подавали напряжение 18В и силу тока поддерживали в 10,6 А/м². Соотношение катионит : активированный уголь выдерживали 0,04:1. Анализировали воду, как в примерах 1 и 2. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Пример 4. Очищаемую воду пропускали через устройство, как описано в примерах 2 и 3. Подавали напряжение 14В и поддерживали силу тока 12,5 А/м². Соотношение катионит: активированный уголь выдерживали 0,08:1. Анализировали воду, как в примерах 1 - 3. Результаты анализов представлены в таблице 2.

Как видно из представленных примеров и табл. 1 и 2, использование предложенных способа и устройства для его осуществления позволяет улучшить качество очищаемой воды по свинцу, меди, железу, кадмию, фенолам и хлору. Кроме того, при использовании способа-прототипа наблюдается увеличение pH очищенной воды до недопустимых по соответственному ГОСТу значений. Умягчения воды (снижения жесткости) также не происходит, равно как и снижения количества анионов. Проведенные эксперименты по очистке воды с залповым проскоком высоких концентраций загрязнителей также показали высокую работоспособность фильтра: во всех исследованных случаях превышение ПДК веществ после очистки не наблюдалось.

Источники информации 1 Патент 2027677 С1 (RU), C 02 F 1/28, 1/42, (Междунар. центр дизайна, техники и технологии "РУТЕК"), 27.01.95.

2. Патент 2008273 С1 (RU), C 02 F 1/42. (ВНИИ мед. полимеров), 28.02.94.

3 Патент 2043305 (RU), C 02 F 1/46.

Формула изобретения

1. Способ очистки воды, включающий ее электролиз и сорбцию, отличающийся тем, что процесс электролиза проводят при напряжении 16-18В и токе 150МА-2А, в качестве сорбентов применяют активированный уголь СГН-30А и сильнокислотный катионит в Н⁺-форме, причем воду пропускают последовательно вначале через катионит, а затем через активированный уголь и объемное соотношение активированного угля и катионита выдерживают равным 1 : (0,04 - 0,06).

2. Устройство для получения питьевой воды, включающее корпус, состоящий из камеры электролиза с алюминиевым анодом, камеры сорбции и отверстий для входа и выхода воды, отличающееся тем, что в камере сорбции по ходу движения воды установлены фильтры, заполненные сильнокислотным катионитом в Н⁺-форме и активированным углем СГН-30А в объемном соотношении (0,04 - 0,06) : 1 соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3