Способ очистки питьевой воды и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к водоподготовке, более конкретно к получению питьевой воды с высокими органолептическими показателями, и может быть использовано в быту для доочистки водопроводной воды. Способ очистки питьевой воды включает озонирование воды и пропускание ее через слой сорбента, в качестве которого используют активированный уголь в виде дробленых частиц и/или смесь этих частиц с ионообменной смолой, причем слой сорбента разделен на две части, через которые осуществляют последовательное пропускание очищаемой воды, и озонирование очищаемой воды осуществляется непосредственно в первой по ходу движения воды части слоя сорбента во время пропускания через нее этой воды. Устройство для очистки питьевой воды содержит контактную камеру, заполненый сорбентом фильтр, подключенный газоподводящей трубкой к озонатору, распылитель озона, фильтр размещен внутри контактной камеры, причем пространство между их боковыми стенками заполнено сорбентом, а нижняя часть фильтра, где размещен распылитель озона, выполнена сообщающейся с нижней частью контактной камеры. Предложенные способ и устройство для очистки питьевой воды обеспечивают повышение эффективности озонирования очищаемой воды, увеличение поглощающей способности сорбента, более рациональное использование объема этого устройства и на основе этого создание нового более компактного, надежного и удобного в эксплуатации устройства для очистки питьевой воды, которое при неизменном общем объеме будет иметь более высокие ресурс работы, производительность и степень очистки воды, более низкую себестоимость единицы очищаемой воды и будет сохранять глубину очистки при залповых проскоках высоких концентраций вредных веществ. 2 с. и 13 з.п.ф-лы, 2 ил.

Техническое решение относится к водоподготовке, а более конкретно к получению питьевой воды с высокими органолептическими показателями, и может быть использовано в быту для очистки воды из водопровода.

Известен способ очистки питьевой воды и устройство для его осуществления, в котором очищаемую воду пропускают через слой активированного угля в виде дробленых частиц, на поверхности пор которых осаждены частицы серебра /1/. Устройство представляет собой заполненный сорбентом фильтр со сливным патрубком в верхней части и с патрубком для подсоединения подводящего шланга в нижней части. Однако при осаждении частиц серебра существенно повышается себестоимость угля и уменьшается его поглощающая способность, происходит постепенное ухудшение бактерицидного свойства сорбента и загрязнение питьевой воды частицами тяжелого металла - серебра.

Анализ современного уровня техники показывает, что наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором очищаемую воду подвергают предварительному озонированию в контактной камере и далее пропускают через слой сорбента в виде дробленых частиц в сорбционном фильтре 111. Указанный способ реализован в бытовом комплекте для очистки питьевой воды “Барьер”-“Озонид” /2/. В этом устройстве очищаемая вода подвергается предварительному озонированию в контактной камере, которая представляет собой емкость (стеклянная банка) со съемной крышкой с подводом и отводом озона, на днище которого расположен распылитель озона, подключенный газоподводящей трубкой к озонатору “Озонид”. После озонирования вода пропускается через сорбционный фильтр “Барьер”.

При предварительном озонировании очищаемой воды не только полностью уничтожаются микробы и вирусы, улучшаются практически все показатели качества питьевой воды, возвращается очищенной воде свежесть и вкус, характерные для чистых природных источников, но и увеличивается в несколько раз поглощающая способность угля 17.1. Преимуществом этого способа очистки воды является также неограниченный ресурс озонатора и минимальное потребление им электроэнергии. Поэтому сочетание предварительного озонирования очищаемой воды с ее последующей сорбционной чисткой на активированном угле признано лучшим в мире /2/.

Наиболее близким к заявляемому устройству является бытовой водоочиститель, содержащий размещенные последовательно по направлению движения обрабатываемой воды мембранный фильтр, контактную камеру с озонатором и угольный фильтр, соединенные между собой водоподающими и водоотводящими трубками, а озонатор соединен газоподводящей трубкой с контактной камерой на входе в нее водяного потока, при этом контактная камера на выходе из нее водяного потока соединена газоподводящей трубкой с угольным фильтром на выходе из него водяного потока /3/.

Способ очистки питьевой воды и соответствующее устройство, выбранные в качестве прототипов, имеют следующие недостатки:

- эффективность озонирования очищаемой воды является низкой из-за малого времени контакта (доли секунды) озоно-воздушных пузырьков с обрабатываемой средой. Следует отметить, что эта проблема может быть частично решена приданием контактной камере сильно удлиненной конфигурации и/или использованием в этой камере специальных устройств, улучшающих озонирование воды. Однако использование таких контактных камер в бытовых условиях создает определенные неудобства и поэтому является нежелательным;

- увеличение поглощающей способности активированного угля при озонировании очищаемой воды происходит в недостаточной степени и недостаточно интенсивно. Действительно, хотя и в настоящее время физико-химические процессы, способствующие увеличению поглощающей способности угля при введении в очищаемую воду озона, изучено недостаточно, является очевидным то обстоятельство, что в тех относительно малых концентрациях растворенного в воде озона (растворимость в воде озона в десять раз больше, чем у кислорода), необходимых для обеззараживания воды (несколько мг/л), увеличение поглощающей способности угля находится практически в прямой зависимости от количества растворенного в очищаемой воде озона в момент ее сорбционной очистки и от интенсивности взаимодействия озона с поверхностью сорбента. Однако в данном способе очистки, во-первых, вследствие смещения по времени и в пространстве процессов озонирования и сорбционной очистки воды и быстрого распада озона (период полураспада озона составляет около 11 с) сорбционная очистка воды частицами угля, которая длится несколько минут, происходит при относительно низком содержании озона в очищаемой среде. Во-вторых, как это будет показано ниже, интенсивность взаимодействия озона с поверхностью сорбента также является относительно низкой;

- при реализации этого способа в устройствах для очистки питьевой воды их объем используется нерационально. Действительно, в данном случае устройства содержат дополнительную контактную камеру, причем объем этой камеры в несколько раз больше объема сорбента в этих устройствах по той причине, что время озонирования очищаемой воды (8-15 мин) в несколько раз превышает время сорбционной очистки (2-5 мин) в известных бытовых фильтрах /1/. Поэтому в этих устройствах сорбент занимает лишь малую часть их объема (в рассматриваемом случае этот объем состоит из объемов контактной камеры и сорбционного фильтра). А так как ресурс непрерывной (то есть без замены сорбента) работы устройства для очистки питьевой воды и его производительность определяются, в первую очередь, количеством сорбента в нем, указанные характеристики этих устройств при реализации в них данного способа очистки воды существенно ухудшаются по сравнению с аналогичными характеристиками сорбционных фильтров такого же объема.

Устройство, принятое в качестве прототипа, обладает, в дополнение к вышеперечисленным недостаткам способа-прототипа, следующими недостатками:

- наличие четырех емкостей (мембранный фильтр, контактная камера, озонатор, угольный фильтр) различных размеров и конфигураций, соединенных газоводоподводящими и отводящими трубками, что создает значительное неудобство при его использовании в быту;

- работает только в проточном режиме, что не всегда удобно в бытовых условиях;

- необходимость частой смены фильтрующего патрона в угольном фильтре, что в условиях отсутствия индикаторов качества очистки воды снижает надежность очистки и создает дополнительные неудобства при его эксплуатации;

- вымывание угольной пыли при каждом включении и сокращение сроков эксплуатации из-за непроизводительного сброса очищенной воды с угольной пылью в канализацию;

- неспособность очищать от залповых проскоков воды с высоким содержанием вредных веществ. Это связано с тем, что время контакта очищаемой воды с сорбентом в известных бытовых водоочистителях составляет не более 2-5 мин /1/. Однако кинетика сорбции на углях такова, что при таком количестве времени контакта и при краткосрочном превышении ПДК в воде в 10 раз наблюдается превышение содержания вредных веществ в выходящей воде по величине ПДК в два и более раза.

Решаемой технической задачей изобретения предлагаемых способа и устройства для очистки питьевой воды является повышение эффективности озонирования очищаемой воды, увеличение поглощающей способности сорбента, более рациональное использование объема этого устройства и на основе этого создание нового более компактного, надежного и удобного в эксплуатации устройства для очистки питьевой воды, которое при неизменном общем объеме будет иметь более высокие ресурс работы, производительность и степень очистки воды, более низкую себестоимость единицы очищенной воды, и будет способно сохранять глубину очистки при залповых проскоках высоких концентраций вредных веществ.

Решение технической задачи в способе очистки питьевой воды, включающем озонирование очищаемой воды и пропускание ее через слой сорбента, в качестве которого используют активированный уголь в виде дробленых частиц и/или смесь этих частиц с ионообменной смолой, достигается тем, что слой сорбента разделен на две части, через которые осуществляют последовательное пропускание очищаемой воды, при этом озонирование очищаемой воды осуществляют непосредственно в первой по ходу движения воды части слоя сорбента во время пропускания через нее этой воды.

Решение технической задачи в устройстве для очистки питьевой воды, содержащем контактную камеру, заполненный сорбентом фильтр, подключенный газоподводящей трубкой к озонатору распылитель озона, достигается тем, что фильтр размещен внутри контактной камеры, причем пространство между их боковыми стенками заполнено сорбентом, а нижняя часть фильтра, где размещен распылитель озона, выполнена сообщающейся с нижней частью контактной камеры.

Фильтр внутри контактной камеры и распылитель озона в нижней части фильтра могут быть размещены соосно контактной камере. Сливной патрубок может быть размещен в боковой части контактной камеры на заданной высоте и снабжен краником. Контактная камера может быть снабжена верхним и нижним днищами, расположенными параллельно на расстоянии 3-10 мм друг от друга, при этом верхнее днище выполнено дырчатым с диаметрами отверстий не более 0,5 мм, на котором размещены выполненный с открытым днищем фильтр и распылитель озона, а нижнее днище выполнено герметичным. Сливной патрубок и днища контактной камеры могут быть выполнены съемными.

Пространство между боковыми стенками контактной камеры и фильтра может быть заполнено сорбентом до расположенной на заданной высоте дырчатой перегородки с размерами отверстий не более 0,5 мм.

Контактная камера и фильтр могут быть выполнены осесимметричными друг другу по всей высоте и изменяющимися по высоте по заданным формам, при этом верхний край фильтра может быть расположен ниже верхнего края контактной камеры и герметично соединен с внутренней боковой поверхностью этой камеры. Контактная камера может быть снабжена распределительной перегородкой с размерами отверстий не более 0,5 мм, расположенной выше верхнего края фильтра на заданную высоту, причем пространство между этой распределительной перегородкой и открытым сверху верхним слоем сорбента в фильтре может быть заполнено сорбентом.

В верхней боковой части контактной камеры на заданной высоте может быть размещено отверстие для подачи очищаемой воды, которое с внешней стороны контактной камеры может быть снабжено заливочной воронкой, верхний край которой расположен не выше верхнего края контактной камеры. А с внутренней стороны указанное отверстие может иметь продолжение в виде трубки, изогнутой в направлении верхнего края контактной камеры, причем верхний край этой трубки расположен ниже верхнего края заливочной воронки на заданное расстояние.

Контактная камера может быть снабжена герметичной крышкой с патрубками для подвода и отвода озона.

Контактная камера может быть снабжена крышкой с отверстием для вывода шнура, питающего электроэнергией озонатор, при этом озонатор может быть размещен в водонепроницаемом корпусе в пространстве между этой крышкой и распределительной перегородкой.

Контактная камера может быть снабжена сквозной трубкой, соединяющей верхнюю часть пространства между боковыми стенками контактной камеры и фильтра с пространством над верхним краем контактной камеры.

Общий объем сорбента в устройстве может составлять не менее 4 л.

Отношение общего объема сорбента в устройстве к объему сорбента в пространстве между боковыми стенками контактной камеры и фильтра может составлять 2-4.

Озонатор может быть снабжен реле времени.

На фиг.1 изображен пример конкретной реализации устройства для осуществления предложенного способа очистки питьевой воды, в котором озонатор (на фиг.1 не показан) располагается вне этого устройства.

На фиг.2 изображен пример конкретной реализации устройства для осуществления предложенного способа очистки питьевой воды, в котором озонатор размещен внутри этого устройства.

Устройства для очистки питьевой воды (фиг.1, фиг.2) содержат контактную камеру 1, заполненный сорбентом 2 фильтр 3, подключенный газоподводящей трубкой 4 к озонатору (на фиг.1 не показан) распылитель озона 5. Фильтр 3 размещен внутри контактной камеры 1 соосно с ним, причем пространство 6 между их боковыми стенками заполнено сорбентом 2. Нижняя часть фильтра 3, где соосно с ним размещен распылитель озона 5, выполнена сообщающейся с нижней частью контактной камеры 1. В боковой части контактной камеры 1 на заданной высоте размещен снабженный краником 7 сливной патрубок 8. Контактная камера 1 снабжена верхним 9 и нижним 10 днищами, расположенными параллельно на расстоянии 3-10 мм друг от друга, при этом верхнее днище 9 выполнено дырчатым с диаметром отверстий не более 0,5 мм, на котором размещены выполненный с открытым днищем фильтр 3 и распылитель озона 5, а нижнее днище 10 выполнено герметичным. Сливной патрубок 8, верхнее и нижнее днища 9, 10 контактной камеры 1 выполнены съемными. Пространство 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 заполнено сорбентом 2 до расположенной на заданной высоте дырчатой перегородки 11 с размерами отверстий не более 0,5 мм. Контактная камера 1 и фильтр 3 выполнены осесимметричными друг другу по всей высоте и изменяющимися по высоте по заданным формам. Например, контактная камера 1, изображенная на фиг.1, выполнена сужающейся кверху, в то время как в контактной камере 1 на фиг.2 указанное сужение отсутствует. А фильтр 3 в обоих примерах (фиг.1 и фиг.2) выполнен с значительным, но плавным уменьшением его поперечного сечения в направлении верхнего днища 9 контактной камеры 1 (целесообразность придания таких форм контактной камере 1 и фильтра 3 будет обоснована ниже). При этом верхний край 12 фильтра 3 расположен ниже верхнего края 13 контактной камеры 1 и герметично соединен с внутренней боковой поверхностью этой камеры 1. Контактная камера 1 снабжена распределительной перегородкой 14 с размерами отверстий не более 0,5 мм, причем эта перегородка 14 расположена выше верхнего края 12 фильтра 3 на заданную высоту, а пространство между распределительной перегородкой и открытым сверху верхним слоем сорбента 2 в фильтре 3 заполнено сорбентом 2. В верхней боковой части контактной камеры 1 на заданной высоте размещено отверстие 15 для подачи очищаемой воды, которое с внешней стороны контактной камеры 1 снабжено заливочной воронкой 16, причем верхний край 17 этой воронки 16 не выше верхнего края 13 контактной камеры 1. С внутренней стороны отверстие 15 имеет продолжение в виде трубки 18, изогнутой в направлении верхнего края 13 контактной камеры 1, причем верхний край этой трубки 18 расположен ниже верхнего края заливочной воронки 16 на заданное расстояние.

Контактная камера 1 устройства, изображенного на фиг.1, снабжена герметичной крышкой 19 с патрубками 20, 21 для подвода и отвода озона соответственно.

Устройство для очистки питьевой воды, изображенное на фиг.2, содержит крышку 22 с отверстием 23 для вывода шнура 24, питающего электроэнергией озонатор 25. При этом озонатор 25 размещен в водонепроницаемом корпусе 26 в пространстве между крышкой 22 и распределительной перегородкой 14. Контактная камера 1 снабжена сквозной трубкой 27, соединяющей верхнюю часть пространства 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 с пространством над верхним краем 13 контактной камеры 1. Озонатор 25 снабжен реле времени (на фиг.2 не показано).

Общий объем сорбента 2 в устройстве составляет не менее 4 л. Отношение общего объема сорбента 2 в устройстве к объему сорбента 2 в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 составляет 2-4.

В качестве сорбента 2 могут использоваться различные активированные угли в виде дробленых частиц и/или смесь этих частиц с ионообменной смолой.

Рассмотрим осуществление предлагаемого способа с помощью устройств, изображенных на фиг.1 и фиг.2. Одним из преимуществ этих устройств по сравнению с прототипом является то, что они могут работать как в проточном режиме, так и как устройства кувшинного типа. В проточном режиме работы очищаемую воду из водопроводного канала (на фиг.1 и фиг.2 не показан) подают в заливочную воронку 16 и регулирующим вентилем (не показан) водопроводного канала устанавливают нужный расход очищаемой воды. При этом, как и в известных сорбционных фильтрах проточного типа, существует верхнее ограничение допустимого расхода пропускаемого через устройство воды, а именно часовой расход очищаемой воды не должен превышать объем сорбента в устройстве более чем в 5-10 раз (в зависимости от марки используемого сорбента и конструкции устройства). При выполнении этого условия обеспечивается высокое качество очистки воды и ее спокойное (то есть без поднятия угольной пыли) течение через слой сорбента в устройстве. В кувшинном режиме работы заправочную дозу очищаемой воды заливают в устройство также через заливочную воронку 16. Озонатор 25 (на фиг.1 не показан) подключают к сети 220 В и через распылитель озона 5 в нижнюю часть фильтра 3 начинает поступать озон в виде озоно-воздушных пузырьков, которые двигаясь в очищаемой среде по сложной траектории между частицами сорбента 2, иногда останавливаясь и объединяясь друг с другом, поднимаются вверх, проходят через распределительную перегородку 14 и выводятся из контактной камеры 1 через патрубок 21 для отвода озона (фиг.1) или заново поступают в озонатор 25 (фиг.2). При этом наличие с внутренней стороны контактной камеры 1 изогнутой вверх трубки 18 исключает вероятность попадания озона в бытовое помещение через заливочную воронку 16. Эта заливочную воронка 16 служит не только для подачи очищаемой воды, но и для контроля уровня воды в верхней части контактной камеры 1. При этом исключается вероятность попадания воды через патрубок 21 для отвода озона в канал для отвода озона (не показан) и возникновение нежелательных последствий (например, заблокирования выхода озона из контактной камеры 1). Следует также отметить, что задавая определенную разность уровней верхних краев заливочной воронки 16 и трубки 18 можно задать оптимальный расход подаваемой в устройство воды. После попадания в контактную камеру 1 вода движется сверху вниз и проходит через распределительную перегородку 14, которая обеспечивает выравнивание скорости движения очищаемой воды по всему поперечному сечению контактной камеры 1 и тем самым способствует ликвидации неэффективных застойных зон в этой контактной камере 1. Кроме этого, распределительная перегородка 14 выполняет следующую важную функцию. Сорбент 2, размещенный в устройстве для очистки питьевой воды, находится в полувзвешенном состоянии. Поэтому, если не удерживать сорбент 2 в определенных рамках, при движении в его среде озоно-воздушных пузырьков, во первых, этот сорбент будет стремиться занять больше объема и может попасть в патрубок 21 для отвода озона и отверстие 15 для подачи очищаемой воды, что является нежелательным. Во вторых, вследствие этого расширения полувзвешенная среда сорбента 2 становится более рыхлой, в которой озоно-воздушные пузырьки объединяясь друг с другом прокладывают себе определенные каналы, по которым происходит преимущественные их движения, что уменьшает эффективность озонирования очищаемой воды. Решению этой проблемы, а именно удержанию частиц сорбента 2 в контактной камере 1 в определенных рамках в относительно тесном их расположении между собой, и способствует размещенная на верхнем слое сорбента 2 распределительная перегородка 14. После прохождения через распределительную перегородку 14 очищаемая вода движется сверху вниз в насыщенной озоном среде сорбента 2 сначала в пространстве над фильтром 3, а затем и в самом фильтре 3 и проходит через верхнее дырчатое днище 9 контактной камеры 1. Далее вода движется между верхним и нижним днищами 9 и 10 контактной камеры 1 в горизонтальном направлении, проходит через верхнее дырчатое днище 9 контактной камеры 1 под пространством 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3, но уже в направлении снизу вверх. Размеры отверстий днища 9 малы по сравнению с размерами частиц сорбента и зазоров между ними, что, с одной стороны, исключает вероятность попадания частиц сорбента 2 в пространство между верхним и нижним днищами 9 и 10 и засорение ими перехода из фильтра 3 в пространство 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3. С другой стороны, способствует выравниванию распределения скорости потока воды по поперечному сечению как фильтра 3, так и пространства 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 и ликвидации тем самым неэффективных застойных зон в них. В пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 вода движется снизу вверх через слой сорбента 2, проходит через дырчатую перегородку 11 и вытекает в очищенном виде через сливной патрубок 8 контактной камеры 1. Дырчатая перегородка 11 с размерами отверстий не более 0,5 мм, с одной стороны, исключает вероятность попадания частиц сорбента 2 в сливной патрубок. С другой стороны, удерживает сорбент 2 в определенных рамках, что исключает возможность заполнения сорбентом 2 вследствие полувзвешенного состояния его частиц верхней части пространства 6, где его сечение резко сужается, а значит резко увеличивается скорость движения воды в нем и, как следствие, возникла бы вероятность поднятия угольной пыли в этой части пространства 6.

При своем движении в среде сорбента 2 в фильтре 3 и в пространстве над ним озоно-воздушные пузырьки вызывают некоторое поднятие угольной пыли в этой среде. Часть этой пыли задерживается сорбентом 2 в самом же фильтре 3, а остальная часть осаждается на частицах сорбента 2 в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3. Кроме этого, в этом пространстве 6 происходит доочистка продуктов озонолиза и “финишная” доочистка питьевой воды от вредных примесей, что особенно важно при залповых проскоках высоких концентрации вредных примесей.

В предлагаемом устройстве отношение общего объема сорбента 2 в нем к объему сорбента 2 в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 составляет 2-4. Это эквивалентно тому, что отношение объема сорбента 2, подвергающегося непосредственному воздействию озоно-воздушных пузырьков (то есть суммарный объем фильтра 3 и пространства над ним до распределительной перегородки 14), к объему сорбента 2, не подвергающегося непосредственному воздействию озоно-воздушных пузырьков (то есть объема сорбента 2 в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3), составляет 1-3. Такой диапазон был принят, исходя из следующих соображений. С одной стороны, объем сорбента 2, подвергающегося непосредственному воздействию озоно-воздушных пузырьков, должен быть относительно большим, так как в этом объеме происходит озонирование и наиболее интенсивная очистка воды. Кроме этого время озонирования очищаемой воды должно в два и более раза превосходить время сорбционной очистки воды в известных фильтрах. С другой стороны, при неизменных общем объеме устройства и расходе очищаемой воды с увеличением относительно объема сорбента 2, подвергающегося непосредственному воздействию озоно-воздушных пузырьков, увеличивается скорость движения воды в среде сорбента 2 пространства 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3. Это приводит к необходимости уменьшения расхода очищаемой воды, так как именно скорость движения воды, при которой в среде сорбента 2 не поднимается угольная пыль, является верхним ограничением этого расхода в данном устройстве. Кроме этого количество сорбента 2 в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 должно быть достаточным для задержания угольной пыли, поступающей из фильтра 3. Решению этой задачи, а именно увеличению объема сорбента 2 в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3, способствует специальная форма фильтра 3 с значительным, но плавным, уменьшением поперечного сечения фильтра 3 в направлении верхнего днища 9 контактной камеры 1. Кроме этого такая форма выполнения фильтра 3, с одной стороны, обеспечивает лучшие условия для взаимодействия озоно-воздушных пузырьков, которые при своем движении вверх между частицами сорбента 2 расходятся в поперечном направлении, с обрабатываемой водой и частицами сорбента 2. С другой стороны, уменьшается вероятность проскока неозонированной воды в пространство 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3, так как очищаемая вода в конце процесса озонирования проходит через узкое сечения фильтра 3 с наиболее концентрированным содержанием озоно-воздушных пузырьков.

Уровень воды в контактной камере 1 при проточном режиме работы должен быть как можно выше. Этот уровень можно регулировать вентилем из водопроводного канала (не показан) и/или краником 7 на сливном патрубке 8.

Рассмотрим подробнее особенности работы предложенного устройства в режиме кувшинного фильтра на примере устройства, изображенного на фиг.2. Этот режим работы является очень важным и требует подробного анализа, так как большинство бытовых водоочистителей работают именно в этом режиме /1/.

В бытовых водоочистителях кувшинного типа целесообразно использовать, как это сделано в аналоге /2/ и в предложенном устройстве, изображенном на фиг.2, бытовой озонатор типа “Озонид”, который выпускается ТОО “Озонид”, г. Уфа. Преимуществом этого озонатора является не только его компактность, надежность, но и замкнутость цикла его работы, при котором выводящийся из устройства озон заново поступает в этот озонатор, то есть отпадает необходимость каким-либо способом удалять отработанный озон из бытового помещения, что принципиально важно для бытовых водоочистителей. Указанное свойство озонатора “Озонид” и размещение его внутри предложенного устройства (фиг.2) позволяет сделать это устройство очень компактным и удобным в эксплуатации, что выгодно отличает его от прототипа и аналога и важно для бытовых водоочистителей. При этом исключается вероятность попадания в озонатор 25 воды через распылитель озона 5 при отключении этого озонатора. Кроме этого, как будет показано ниже, в предложенном устройстве по сравнению с аналогом кувшинного типа создается более благоприятное условие для эффективной работы озонатора типа “Озонид”, что является одним из преимуществ предложенного устройства. Как известно, водоочистители кувшинного типа состоят из трех основных частей: верхней части, называемой воронкой, в которую заливают заправочную дозу очищаемой воды; нижней части, называемой кувшином, в которой накапливается очищенная вода; расположенной между воронкой и кувшином сменной фильтрующей кассеты, заполненной сорбентом. Заправочную дозу очищаемой воды в предложенном устройстве заливают через заливочную воронку 16 и заполняют контактную камеру 1 до заданного уровня. При этом сразу же с момента начала заливки воды начинается процесс очистки этой воды и вытеснение ею имеющейся в устройстве и уже очищенной воды в расположенную выше сливного патрубка 8 и не содержащую сорбента 2 верхнюю часть пространства 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3, которая уже к концу заправки заполняется в полном объеме. Таким образом, объем воронки (по аналогии с терминологией кувшинных фильтров), то есть объем емкости, в которую заливают заправочную дозу воды, в предложенном устройстве состоит из трех условных частей: объем расположенной выше распределительной перегородки 14 и не заполненной сорбентом 2 верхней части контактной камеры 1; заполненные сорбентом 2 объемы расположенных выше уровня сливного патрубка 8 частей контактной камеры 1 и фильтра 3; расположенной выше уровня сливного патрубка 8 и не заполненной сорбентом 2 верхней части пространства 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3. Так как заполненная сорбентом 2 емкость при заправке вмещает воду, объем которой примерно в два раза меньше объема этой емкости, то относительная доля не заполненных сорбентом 2 условных частей воронки в заправленной дозе воды удваивается. Включается озонатор 25 в сеть 220 В и открывают краник 7. При этом через сливной патрубок 8 начинает вытекать оставшаяся с предыдущей заправки и уже очищенная вода, расход которой максимален в начальный момент открывания краника 7 и с уменьшением уровня воды в контактной камере 1 тоже уменьшается. Здесь следует отметить особую роль расположенной выше сливного патрубка 8 верхней части пространства 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3, заключающаяся в ее многофункциональности. Действительно, во первых, она является, как было показано выше, условной частью воронки. Во вторых, она является частью кувшина, так как там накапливается очищенная вода. В третьих, относительно быстрое изменение уровня воды в ней вследствие сильного сужения ее сечения “сглаживает” резкие изменения уровня воды в контактной камере 1 по отношению к уровню воды в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 и тем самым уменьшает вероятность поднятия угольной пыли в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 при таких резких изменениях (например, при заправке воды или в начальный момент открытия краника 7 после заправки водой предложенного устройства). Сквозная трубка 27, соединяющая верхнюю часть пространства 6 с пространством над верхним краем 13 контактной камеры 1, обеспечивает выравнивание давления в этих пространствах, что нужно для использования верхней части пространства 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 в полном его объеме при изменениях уровня воды в этом пространстве. Реле времени (не показано) отключает озонатор 25 через заданное количество времени.

Особенностью использования озонаторов типа “Озонид” с замкнутым циклом работы является необходимость изолирования от окружающей среды выходящего из контактной камеры озона и наличия определенного количества первоначального объема воздуха в этой камере. Эту задачу в предложенном устройстве решает крышка 22, которая изолирует выходящий из контактной камеры 1 озон и озонатор 25 от окружающей среды и резервирует указанный объем воздуха в пространстве под этой крышкой. При этом резервированный воздух в процессе работы предложенного устройства постоянно обновляется относительно сухим и богатым кислородом воздухом из окружающей среды. Действительно, изменения уровня воды в устройстве, то есть довольно быстрое поднятие при заправке и последующее снижение этого уровня, играют роль своеобразного поршня, сначала вытесняющего из пространства под крышкой 22, а затем обратно всасывающего в это пространство воздух из окружающей среды через отверстие 23 в крышке 22. Таким образом происходит принудительная вентиляция воздуха под крышкой 22, при которой влажный и бедный кислородом воздух с минимальным содержанием озона (вследствие быстрого распада озона и достаточно длительного периода времени между заправками воды) в пространстве под крышкой 22 заменяется более сухим и богатым кислородом воздухом из окружающей среды. Это обстоятельство является важным, так как для эффективной работы озонатора 25 требуется относительно сухой и богатый кислородом воздух.

Из сравнения предложенного устройства с известными бытовыми фильтрами кувшинного типа следует, что расположенные выше и ниже уровня сливного патрубка 8 верхняя и нижняя части предложенного устройства играют роль соответственно воронки и кувшина, а само устройство в полном объеме роль фильтрующей кассеты. Отсюда следует, что верхняя и нижняя части предложенного устройства выполняют одновременно три функции: играют роль воронки и кувшина в устройстве кувшинного типа; являются частью фильтрующей кассеты этого устройства (в известных устройствах для очистки питьевой воды кувшинного типа наоборот: кассета занимает часть объема воронки и кувшина); играют роль контактной камеры. Таким образом, весь объем предложенного устройства участвует непосредственно в процессе озонирования и сорбционной очистки воды, то есть используется максимально рационально. Это обстоятельство выгодно отличает предложенное устройство от известных фильтров кувшинного типа, в которых основная часть их объема является просто резервуаром для очищенной и неочищенной воды и не участвует в процессах очистки, то есть используется нерационально. При этом в предложенном устройстве при одном и том же общем объеме содержится в десятки раз больше сорбента, чем в известных бытовых фильтрах кувшинного типа (например, объем сменной кассеты в аналоге, то есть в бытовом комплексе “Барьер-Озонид”, занимает лишь около 5% суммарного объема контактной камеры и фильтра “Барьер”). Данное обстоятельство не только обеспечивает многократное увеличение ресурса непрерывной работы устройства, увеличение производительности, надежности и степени очистки воды, но и позволяет предложенному устройству работать в особом режиме. Прежде чем раскрыть суть этого режима, покажем, что при одном и том же объеме устройств заправочная доза воды предложенного устройства значительно больше, чем у аналога кувшинного типа. Как показали исследования, при таких малых скоростях движения очищаемой воды в сорбционных фильтрах из нижней части предложенного устройства, то есть его кувшина, очищенная вода вытесняется не только из зазоров между частицами сорбента 2, но и из самих частиц (то есть вода проходит сквозь эти частицы). Отсюда следует, что объем оставшейся с предыдущей заправки воды и уже очищенной воды в кувшине, которая может быть вытеснена заново заправленной водой, примерно равен объему самого кувшина. Отсюда, в свою очередь, следует, что для того, чтобы объем заправленной в воронку дозы неочищенной воды был равен объему вытесненной им из кувшина уже очищенной воды (это равенство, как будет показано ниже, является оптимальным соотношением между ними), объем воронки предложенного устройства должен примерно в два раза превосходить объем его кувшина (то есть уровень сливного патрубка 8 должен делить предложенное устройство на две части так, что объем верхней части в два раза больше объема нижней части). Таким образом, объем заправочной дозы воды предложенного устройства составляет более 1/3 часть его объема, в то время как относительная заправочная доза очищаемой воды в аналоге кувшинного типа, равная объему их воронки, составляет не более 1/4 части общего объема контактной камеры и сорбционного фильтра. Отсюда так же следует, что так как заправочная доза воды в известных кувшинных фильтрах составляет не менее 1,3 л, то общий объем сорбента 2 в предложенном устройстве должен быть не меньше 4 л.

Испытания показали, что после заправки предложенного устройства заправочной дозой воды, включения озонатора 25 и открытия краника 7 происходит спокойное (то есть без поднятия угольной пыли), но достаточно интенсивное (в течении 2-5 мин, что является удовлетворительной производительностью для бытовых водоочистителей) вытеснение воды, находившейся в нижней части устройства в контакте с сорбентом 2 длительное время, равное интервалу времени между заправками воды, и все это время подвергавшееся сорбционной чистке, заправленной в устройство водой, которая, в свою очередь, подвергается такой же длительной очистке до следующей заправки. В этой длительной очистке воды в предложенном устройстве в пределах одного и того же объема водоочистителя, обеспечивающей надежную и глубокую очистку воды и исключающей проскок высоких концентраций вредных веществ, и заключается особый режим работы и одно из принципиальных отличий предложенного устройства от известных бытовых водоочистителей проточного и кувшинного типов которых время сорбционной очистки не превышает нескольких минут. Это позволяет говорить о нем, как о водоочистителе нового типа, качественно и выгодно отличающегося от водоочистителей проточного и кувшинного типов.

Вышеприведенный анализ работы предложенного устройства показал, что практически все элементы и конструктивные особенности данного устройства выполняют несколько функций, что является обоснованием необходимости и полезности каждого из них.

Замену фильтрующего элемента в предложенном устройстве можно осуществлять либо заменой целиком контактной камеры 1 (при этом все съемные элементы, озонатор 25 с корпусом 26, крышка 22, верхнее днище 9 и нижнее днище 10, патрубок 8, распределительная перегородка 14, распылитель озона 5, могут быть легко сняты с отработанной контактной камеры 1 и установлены на новую камеру, что позволяет существенно снизить себестоимость сменной контактной камеры 1), либо заменой сорбента 2 через съемные верхнее и нижнее днища 9 и 10 следующим образом. Снимают эти днища, выгружают сорбент 2 из устройства и заполняют его, предварительно перевернув устройство дном вверх, новым сорбентом 2 до заданного уровня. Далее обратно устанавливают днища. Этот процесс является простым и не требует приглашения специалиста. Очищенную воду при первых нескольких заправках следует слить.

Пример. Устройство для очистки питьевой воды, изображенный на фиг.2, является цилиндрическим и имеет диаметр 20 см, высоту 34 см и объем 10,5 л. Высота фильтра 3 составляет 19 см, высота расположения сливного патрубка 8 и дырчатой перегородки 11 - 12 см, высота расположения распределительной перегородки 14 - 25 см, высота расположения верхнего дырчатого днища 9 - 1 см. Объем сорбента 2 составляет: в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 - 2,55 л; в верхней части устройства выше уровня сливного патрубка 8 - 3,5 л; в нижней части фильтра 3 ниже уровня сливного патрубка 8 - 0,83 л. Таким образом, общий объем сорбента 2 в устройстве составляет 6,9 л, а отношение общего объема сорбента 2 в устройстве к объему сорбента 2 в пространстве 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 составляет 2,7. Объемы не заполненных сорбентом 2 верхних частей пространства 6 между боковыми стенками контактной камеры 1 и фильтра 3 и контактной камеры 1 между ее боковой стенкой и стенкой водонепроницаемого корпуса 26 составляет соответственно 0,64 и 0,6 л. Заправочная доза воды составляет 3 л, а объем заполненный сорбентом 2 нижней части устройства, расположенной ниже уровня сливного патрубка 8 и выполняющего роль кувшина в этом устройстве, составляет 3,4 л, то есть объем оставшейся с предыдущей заправки и уже очищенной воды в устройстве тоже составляет примерно 3 л.

В качестве сорбента 2 использовался дробленый активированный уголь БАУ-МФ производства ОАО “Сорбент” (г. Пермь). В устройстве использовался бытовой озонатор “Озонид”.

Устройство вначале эксплуатировалось в проточном режиме. При этом через устройство было пропущено со скоростью 20 л/ч 5000 л водопроводной воды из микрорайона Азино г. Казани. Далее устройство эксплуатировалось в режиме кувшинного фильтра. После заправки устройства водой объемом 3 л, включения озонатора 25 и открытия краника 7 первый литр очищенной воды вытекает из сливного патрубка 8 не более чем за 1,5 мин, что соответствует производительности известных бытовых водоочистителей. Эффективность очистки воды из городской очистной станции в микрорайоне Борисково г. Казани от некоторых загрязнителей после пропускания через рассматриваемое устройство составила: механические частицы - 100%, микробы и вирусы - 100%, фенолы - 95%, нефтепродукты - 85%, бензапирен - 90%, хлороформ - 95%, хлор - 98%, тяжелые металлы - 85%, железо - 80%.

По сравнению с прототипом, предлагаемый способ очистки воды и соответствующее устройство обладают следующими преимуществами:

процесс озонирования воды является более эффективным. Действительно, при озонировании воды непосредственно в среде сорбента озоно-воздушные пузырьки двигаются, часто останавливаясь, в мелкодисперсной среде сорбента по значительно более длинным траекториям. Это увеличивает время их контакта с озонируемой средой, что, в свою очередь, способствует увеличению количества озона, поглощаемого водой из этих пузырьков; - увеличение поглощающей способности активированного угля при озонировании воды является более значительным и происходит более интенсивно. Действительно, в предлагаемом способе очистки из-за озонирования воды непосредственно во время прохождения ее через слой сорбента, во первых, сорбционная очистка воды происходит при более высокой концентрации озона в очищаемой среде. Во вторых, озонируемая вода находится в емкости, заполненной сорбентом, что эквивалентно увеличению концентрации озоно-воздушных пузырьков, а значит концентрации поглощаемого из них озона, в озонируемой воде еще примерно в два раза. В третьих, из-за более эффективного озонирования воды в предложенном способе (смотри выше) концентрация озона в воде во время ее сорбционной очистки становится еще более высокой. В четвертых, озоно-воздушные пузырьки с концентрированным содержанием озона воздействуют непосредственно на поверхность частиц угля, где и происходят процессы сорбционной очистки и где наиболее эффективно воздействие озона на эти процессы и поглощающую способность угля. В пятых, интенсивное движение пузырьков между частицами сорбента (средняя скорость движения пузырьков между частицами в сто и более раз превышает скорость движения воды через слой сорбента) способствует более интенсивным конвективным перемещениям озона, примесей и, как следствие, более интенсивному взаимодействию их с поверхностью частиц сорбента. В шестых, как показывают визуальные наблюдения за процессом озонирования воды в данном устройстве, практически во всем объеме озонирования частицы сорбента, находящиеся в полувзвешенном состоянии, под воздействии поднимающихся вверх озоно-воздушных пузырьков совершают слабые колебательно-поступательные движения, что так же способствует интенсификации сорбционных процессов.

Таким образом, с одной стороны, происходит увеличение концентрации растворенного в воде озона в момент ее сорбционной чистки, а с другой стороны, интенсифицируется взаимодействие озона с поверхностью сорбента. Все это, как было сказано выше, и обеспечивает как рост поглощающей способности сорбента, так и интенсификацию этого роста. А это, в свою очередь, способствует увеличению ресурса непрерывной работы, интенсивности и степени очистки питьевой воды в водоочистителе;

- при использовании предложенного способа объем устройства для очистки питьевой воды используется более рационально. Действительно, в данном случае происходит совмещение в пространстве и во времени процессов озонирования и сорбционной очистки, то есть отпадает необходимость наличия отдельных контактной камеры и сорбционного фильтра. При этом указанные процессы, как было показано выше, становятся более эффективными и существенно интенсифицируются, что создает условие для еще более рационального использования объема водоочистителя. Более того, в данном случае устройство для очистки воды при неизменном общем объеме содержит в несколько (а при сравнении с известными кувшинными водоочистителями в десятки) раз больше сорбента. Это, во первых, обеспечивает многократное увеличение ресурса непрерывной (то есть без замены сорбента) работы устройства. Во вторых, позволяет заменить дорогостоящие, но более эффективные сорбенты на более дешевые и доступные (например коксовый уголь на березовый), что в конечном итоге, позволяет снизить себестоимость единицы очищаемой воды. В третьих, обеспечивает увеличение в несколько раз времени контакта очищаемой воды с сорбентом, что способствует повышению надежности и степени очистки воды и уменьшает вероятность проскоков высоких концентрации вредных примесей. В четвертых, позволяет увеличить производительность водоочистителя.

Таким образом, при переходе от прототипа к предложенному способу очистки питьевой воды, в котором озоно-воздушные пузырьки одновременно взаимодействуют с очищаемой водой и непосредственно с частицами сорбента, двухфазная среда очистки воды в случае прототипа (газ-вода в контактной камере и вода-сорбент в сорбционном фильтре) превращается в трехфазную (газ-вода-сорбент) в предложенном способе, что приводит к показанным выше многочисленным и существенным изменениям физических процессов, происходящих при очистке воды. Это позволяет говорить о качественном отличии физической сущности процессов очистки воды в прототипе и предложенном способе.

По сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обладает наряду с вышеперечисленными преимуществами предложенного способа очистки воды следующими преимуществами:

- является компактной;

- может работать как в проточном режиме, так и как устройство кувшинного типа;

- в связи с многократным увеличением ресурса непрерывной работы устройства отсутствует необходимость частой смены фильтрующего элемента, что существенно упрощает процесс эксплуатации устройства и повышает надежность очистки питьевой воды;

- исключена вероятность залповых проскоков высоких концентраций вредных веществ;

- отсутствует угольная пыль в очищенной воде при каждом его включении.

Это обусловлено тем, что в известных угольных фильтрах при повторной подачи очищаемой воды происходит заполнение среды сорбента водой и при этом происходят взаимные перемещения частиц угля, что и приводит к появлению угольной пыли. В предлагаемом же устройстве при подаче воды в начальный момент происходит лишь вытеснение имеющейся в устройстве воды и поэтому не происходит поднятие угольной пыли.

Таким образом, предлагаемое техническое решение устраняет все перечисленные выше недостатки прототипов способа и устройства и решает поставленную задачу.

Список использованной литературы.

1. Миклашевский Н.В., Королькова С.В. Чистая вода. Системы очистки и бытовые фильтры. - СПб.: БХВ СПб, Издательская группа “Арлит”. 2000. 240 с.

2. Озонид. Бытовой озонатор для очистки и обеззараживания воды. Описание и руководство по эксплуатации. Изготовитель: ТОО “Озонид”. 460000, г. Уфа, а/я 1065, ул. Гоголя 46.

3. Свидетельство на полезную модель. №3441, МПК С 02 F 1/78, ПМПО №1. 16.01.97.

Формула изобретения

1. Способ очистки питьевой воды, включающий озонирование очищаемой воды в контактной камере и пропускание этой воды через слой сорбента, в качестве которого используют активированный уголь в виде дробленных частиц и/или смесь этих частиц с ионнообменной смолой, отличающийся тем, что пропускание очищаемой воды осуществляют через слой сорбента, размещенный в контактной камере и разделенный по ходу движения этой воды на первую и вторую части, при этом озонирование очищаемой воды осуществляют непосредственно в первой по ходу движения воды части слоя сорбента во время пропускания через нее этой воды.

2. Устройство для очистки питьевой воды, содержащее контактную камеру, заполненный сорбентом фильтр, подключенный газоподводящей трубкой к озонатору распылитель озона, отличающееся тем, что фильтр размещен внутри контактной камеры, причем пространство между их боковыми стенками заполнено сорбентом, а нижняя часть фильтра, где размещен распылитель озона, выполнена сообщающейся с нижней частью контактной камеры.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фильтр внутри контактной камеры и распылитель озона в нижней части фильтра размещены соосно контактной камерой.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в боковой части контактной камеры на заданной высоте размещен снабженный краником сливной патрубок.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что контактная камера снабжена верхним и нижним днищами, расположенными параллельно на расстоянии 3-10 мм друг от друга, при этом верхнее днище выполнено дырчатым с диаметром отверстий не более 0,5 мм и на нем размещены выполненный с открытым днищем фильтр и распылитель озона, а нижнее днище выполнено герметичным.

6. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что сливной патрубок и днища контактной камеры выполнены съемными.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пространство между боковыми стенками контактной камеры и фильтра заполнено сорбентом до расположенной на заданной высоте дырчатой перегородки с размерами отверстий не более 0,5 мм.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что контактная камера и фильтр выполнены осесимметричными друг другу по всей высоте и изменяющимися по высоте по заданным формам, при этом верхний край фильтра расположен ниже верхнего края контактной камеры и герметично соединен с внутренней боковой поверхностью этой камеры, снабженной распределительной перегородкой с размерами отверстий не более 0,5 мм, причем эта распределительная перегородка расположена выше верхнего края фильтра на заданную высоту, а пространство между распределительной перегородкой и открытым сверху верхним слоем сорбента в фильтре заполнено сорбентом.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в верхней боковой части контактной камеры на заданной высоте размещено отверстие для подачи очищаемой воды, которое с внешней стороны контактной камеры снабжено заливочной воронкой, а с внутренней стороны имеет продолжение в виде трубки, изогнутой в направлении верхнего края контактной камеры, причем верхний край этой трубки расположен ниже верхнего края заливочной воронки на заданное расстояние, а верхний край заливочной воронки расположен не выше верхнего края контактной камеры.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что контактная камера снабжена герметичной крышкой с патрубками для подвода и отвода озона.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что контактная камера снабжена крышкой с отверстием для шнура питания озонатора, а озонатор размещен в водонепроницаемом корпусе в пространстве между этой крышкой и распределительной перегородкой.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что контактная камера снабжена сквозной трубкой, соединяющей верхнюю часть пространства между боковыми стенками контактной камеры и фильтра с пространством над верхним краем контактной камеры.

13. Устройство по п.2, отличающееся тем, что общий объем сорбента в устройстве составляет не менее 4 л.

14. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отношение общего объема сорбента в устройстве к объему сорбента в пространстве между боковыми стенками контактной камеры и фильтра составляет 2-4.

15. Устройство по п.2, отличающееся тем, что озонатор снабжен реле времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2