Способ очистки воды и аппарат для его осуществления
Изобретение относится к очистке воды и может быть использовано в быту, пищевой промышленности и медицине. Способ включает первое охлаждение воды, при котором температуру среды снижают до величины не ниже -3°С со скоростью 0,1-0,3°С/мин, и последующее замораживание воды со скоростью 0,05-0,1°С/мин до температуры не ниже -4°С для полной кристаллизации чистой воды с примесями и формирования жидкого рассола с примесями. Далее производят слив рассола, нагрев массы льда при постепенном повышении температуры со скоростью 0,16-0,18°С/мин до температуры не выше +10°С и выдержку льда до полного его размораживания. Повторное охлаждение воды осуществляют со скоростью 0,1-0,3°С /мин до температуры не ниже +2°С и выдерживают тяжелую воду до полной ее кристаллизации. Очищенную воду сливают через фильтр. Аппарат включает корпус с термостатированной рабочей емкостью с крышкой и наклонным днищем со сливным отверстием, термоэлектрический модуль для замораживания воды и таяния льда с блоком управления, потребительскую емкость для талой воды и емкость для воды с примесями. Аппарат содержит трубопроводы со средством управления сливом воды, присоединенные к сливному отверстию. Трубопроводы также соединены между собой трубопроводом с фильтром тонкой очистки воды. Технический результат: повышение качества очистки воды, автоматизация процесса, снижение времени получения готового продукта, веса, габаритов устройства. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Изобретение относится к способам и устройствам для очистки воды в бытовых условиях, улучшающим ее биологические свойства путем удаления растворимых в ней канцерогенных и мутагенных веществ и газов, а также существенно уменьшающим содержание в ней тяжелых изотопов водорода (дейтерия и трития) путем фазового разделения исходной воды с примесями методом кристаллизации - вымораживанием в замкнутом объеме на чистую воду и воду с примесями, и может быть использовано в быту, пищевой промышленности и медицине.
Известно, что реакция биосистем при воздействии на них воды (Н2O) может изменяться в зависимости от количественных и качественных изменений изотопного состава Н2O. Применение воды с повышенной концентрацией тяжелых изотопов, в частности дейтерия, вызывает выраженные токсические эффекты на уровне организма, ограничивая возможность ее использования в лечебно-профилактических целях [Kushner D.J., Baker F., Dunstall T.G. Can. J.Physiol. Pharmacol. 1999, Feb. 77(2): 79-88.]. В то же время на разных биообъектах зарегистрирована положительная биологическая активность вод, полученных с помощью различных технологических процессов, относящихся к категории изотопно-легких, со сниженной в той или иной мере, по сравнению с исходной концентрацией дейтерия [Somlyai G. Let's Defeat
Cancer ! Akademiai Kiado, Budapest, 2001].
Данные литературы свидетельствуют и о биологической эффективности снеговой или талой воды, выражающейся в ее стимулирующем действии на рост и развитие растений [Родимов Б.Н. Действие снеговой воды на живые организмы. «Сельскохозяйственное производство Сибири и Дальнего Востока». Омск 4, 1965 г., стр.56-57.]. Увеличение концентрации тяжелых изотопов в организме человека приводит к изменению нормального хода биохимических процессов, что снижает функциональные возможности организма. В результате возникает необходимость в повышении содержания 1Н2 16O в обычной питьевой воде.
Известен способ обработки воды, включающий получение из исходной воды льда, его оттаивание и сбор талой воды. Причем получение льда осуществляют частичным (на 2/3 объема) замораживанием исходной воды [Денисов И., Матвеев С. Пейте чистую воду//ж. «Работница», М. - 1991, №11, с.34-36]. Благодаря тому что процесс замораживания воды прекращают до замерзания всего ее объема, а не перешедший в лед остаток сливают, в воде, полученной при таянии "ледяного стакана", концентрация ионов тяжелых металлов и некоторых изотопов уменьшена.
Тем не менее, этот способ не позволяет понизить содержание в талой воде молекул тяжелой (тритиевой и дейтериевой) воды, которые в большей степени вместе с молекулами легкой (протиевой) воды переходят в лед. Кроме того, упомянутый способ не позволяет эффективно структурировать воду и не обеспечивает условий, позволяющих в процессе его осуществления активно влиять на свойства получаемой воды.
Для осуществления известного способа используют устройство, представляющее собой бытовой или промышленный холодильник (морозильник), содержащий корпус, в котором размещены устройство для замораживания в виде камеры и емкость для исходной воды [Политехнический словарь / Под редакцией акад. Н.И.Артоболевского. М., 1977, с.546]. Недостатками известных способа и устройства является то, что они не обеспечивают разделения воды на легкую и тяжелую с удалением последней и не позволяют существенно улучшить ее биологические свойства.
Известен способ улучшения качества питьевой воды вымораживанием, заключающийся в ее замораживании, дроблении льда и его таянии, отличающийся тем, что замораживание воды проводят до 70-90% от ее объема, таяние льда осуществляют путем теплоизоляции его боковых и нижней поверхностей до образования 30-55% от объема талого стока с последующим его удалением (Патент РФ №2077160, МПК C02F 1/22, опубл. 10.04.1997 г.).
Известны способы получения высокочистой питьевой воды, включающие стадии давления нерастворенных механических примесей, удаления хлора, умягчения, удаления органики, дегазации, недостатком которых является получение питьевой воды с невысокой степенью очистки, которая, к тому же, не обладает целебными свойствами (ЕР 0249049, МПК С02F 9/00, 1987; ЕР 0312079, МПК С02F 9/00, 1989).
Известны также способы получения высокочистой питьевой воды, обладающей целебными свойствами, в которых, помимо ряда стадий по очистке воды, имеется стадия замораживания воды (патент СССР №1799367, МПК С02F 9/00, 1991, патент РФ №2010772, МПК С02F 9/00, 1992, патент РФ №2031085, кл С02F 9/00. 1992).
Известен способ промышленной очистки воды путем ее замораживания и устройство для его осуществления (Любарский В.М. Осадки природных вод и методы их обработки. М.: Стройиздат, 1980. с.98-99, рис.22). Устройство включает резервуар для размещения воды и технические средства для ее охлаждения (замораживания) и нагрева (размораживания).
К недостаткам выше приведенных способов можно отнести невысокую степень очистки воды, что обусловлено отсутствием оптимально подобранных режимов (скорость и время, величины температурных режимов и т.п.) замораживания и оттаивания.
Известен другой способ (Совет на всякий случай. М.: газета "Рабочая трибуна", N 21 (321), 30.01.91) очистки питьевой воды в быту путем ее замораживания и устройство (Патент РФ, №2058262, МПК С02F 1/22, опубл. 20.04.96) для его осуществления. Способ включает залив воды в емкость, первое размещение емкости в морозильной камере, охлаждение воды до образования на ее поверхностях дейтериевого слоя льда толщиной 1-3 мм, извлечение емкости из холодильной камеры и удаление слоя дейтериевого льда, вторичное размещение емкости в морозильной камере и выдержка до образования чистого слоя льда и не доведенной до замерзания неочищенной, химически загрязненной, воды (остаточного рассола), извлечение емкости из морозильной камеры и отделение чистого льда от остаточного рассола, размораживание чистого льда. В процессе вторичного замораживания исходная вода, содержащая примеси в виде растворенных солей, органических веществ и ядохимикатов, разделяется на пресный чистый лед и остаточный рассол, который сосредотачивается в центральной зоне замораживаемого первичного объема воды.
Известный способ очистки воды имеет следующие недостатки: - наличие двух отдельных стадий замораживания и двух отдельных стадий отделения льда от воды повышает трудоемкость ее очистки; неудобное удаление дейтериевой (тяжелой) воды, связанное с извлечением емкости из морозильной камеры, переливанием незамерзшей воды в новую (временную) емкость, удалением образовавшегося слоя первого льда (толщиной 1-3 мм) на верхней поверхности воды, дне и у боковых стенок основной емкости, переливание воды из временной емкости в основную, установка ее в морозильную камеру; используемое иногда на ранней стадии удаление слоя первого льда только с одной верхней поверхности, без переливания воды во временную емкость, увеличивает количество оставшейся дейтериевой воды в очищенной воде. Учитывая эти недостатки, внешне "простой" способ очистки воды путем ее замораживания не получил распространения в бытовых условиях, хотя проблема получения "стакана чистой питьевой воды" крайне актуальна.
Известное устройство (Патент РФ, №2058262, МПК С02F 1/22, опубл. 20.04.96) для очистки питьевой воды путем ее замораживания включает емкость (резервуар) для размещения воды, верхнюю крышку с выемкой для размещения слоя льда первичного замораживания, дно с выемкой для размещения воды и слоя льда вторичного замораживания, нагревательные элементы и запор, обеспечивающий прижим крышки и дна к резервуару, уплотнители между крышками и резервуаром.
Недостатки известного устройства для очистки воды в быту: сложность конструкции; недостаточное количество удаляемого дейтериевого льда, так как это предполагается делать только с одной верхней поверхности замораживаемой воды; трудность удаления дейтериевого льда даже только с одной верхней поверхности, так как процесс образования льда идет по всей внутренней поверхности емкости; трудность разделения чистого льда и остаточного рассола с помощью съемного дна с глубокой выемкой, так как процесс образования вторичного льда идет не сверху вниз, а по всей поверхности.
Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола, и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом (патент РФ №23412817, МПК C02F 1/22, опубл. 20.12.2007). Водоочиститель имеет раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда, и дополнительно снабжен приводным устройством перемещения стержня замороженной воды, смонтированным за морозильной камерой и разобщающим устройством, размещенным по центру стержня замороженной воды и выполненным в виде трубы. Разобщающее устройство имеет на входе кольцевую режущую часть, а на выходе - расширяющийся профиль, образующий выходной патрубок для удаления примесей в виде рассола.
Однако данное устройство сложно в конструктивном выполнении, имеет большие габариты морозильной камеры, вес, что затрудняет его использование в бытовых условиях.
Известен водоочиститель для получения талой питьевой воды в промышленных масштабах из морской воды, который включает расположенные последовательно в одном продольном сосуде зону замораживания воды с кольцевой морозильной камерой, зону вытеснения примесей из фронта льда и концентрации примесей в виде рассола и зону перехода воды из твердого состояния в жидкое с кольцевым нагревательным элементом, раздельные патрубки для вывода примесей в виде рассола и талой питьевой воды, расположенные в нижней части сосуда (Патент Франции №2858607, МПК C02F 1/22, опубл. 11.02.2005).
Однако данное устройство также имеет большие габариты морозильной камеры общий вес установки, предназначенной для опреснения воды в промышленных масштабах, что затрудняет его использование в бытовых условиях. Кроме того, в устройстве не предусмотрена возможность удаления тяжелой воды (дейтерия и трития), что снижает чистоту продукта и его полезные свойства.
Известен аппарат для очистки воды, включающий емкость с крышкой и коническим днищем с отверстием для слива воды и термоэлектрическим модулем для замораживания воды и таяния льда, емкость для приема талой очищенной воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, блоком управления термоэлектрическим модулем, трубопроводами для слива воды, подсоединенными одними концами к сливному отверстию конического днища емкости для замораживания воды и таяния льда, а другие концы этих трубопроводов снабжены клапанами, под которыми установлены соответственно емкость для приема очищенной талой воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия (Патент Японии №5123668, МПК С02F 1/22, F25В 21/02, опубл. 21.05.1993 г.).
Однако такой аппарат имеет в термоэлектрическом модуле один охлаждающий или нагревающий элемент, который расположен с одной стороны емкости, что не позволяет равномерно по объему замораживать воду в виде осесимметричного тороидального тела или равномерно оттаивать лед, вследствие чего снижается качество очистки воды от вредных примесей. В данном аппарате система слива очищенной (талой) воды и загрязненной примесями в емкости не позволяет быстро подготавливать устройство к работе между циклами и не обеспечивает его работу в автоматическом режиме, что снижает удобство пользования аппаратом. Кроме того, в устройстве не предусмотрена возможность удаления тяжелой воды (дейтерия и трития), что снижает чистоту продукта и его полезные свойства.
Наиболее близким аналогом способа (прототипом) является способ очистки воды в емкости (Патент РФ №2274607, МПК C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 г.), включающий отвод тепла с помощью размещенного в емкости теплообменника, размещенного в верхней части емкости примерно на 1/3÷2/3 высоты столба жидкости от верхних ее слоев на равноудаленном расстоянии от центра и боковых поверхностей емкости, обеспечивающего разность температур в пределах 1÷(-1)°С, обуславливающую процесс локально-объемной кристаллизации при непрерывном постепенном многоступенчатом намораживании кристаллов льда вокруг теплообменника. Для очистки воды проводят непрерывное постепенное многоступенчатое намораживание кристаллов льда вокруг теплообменника по массе не более 50÷70% от общей массы исходной воды, слив из емкости незамерзшей воды с примесями, полное размораживание льда и повторное частичное намораживание до небольших объемов в пределах 3÷7% от ее массы и слив талой воды для ее потребления с одновременной фильтрацией через фильтр тонкой очистки. Слив воды с примесями и слив талой воды после размораживания производят в разных по высоте емкости сечениях и по разным каналам, при этом слив воды с примесями производят через канал, выполненный в самом нижнем основании дна емкости, а слив талой воды производят через канал, расположенный на 0,5÷2 см выше дна емкости.
Размораживание льда производят в два этапа, при этом на первом этапе размораживают до 90÷95% льда от его общего объема, содержащего небольшой процент тяжелых изотопов водорода, а на втором этапе размораживают лед, оставшийся на теплообменнике от начальной кристаллизации и содержащий большой процент тяжелых изотопов водорода, дейтерия и трития. Причем размораживание льда производят путем постепенного повышения температуры до состояния парообразования и конвекционного перемещения нагретых до температуры не выше 40÷80°С слоев пара. Размораживание льда производят путем нагревания экранированного кабеля, намотанного на боковую поверхность емкости.
Наиболее близким аналогом устройства (прототипом) является установка для очистки воды (Патент РФ №2274607, МПК C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 г.), содержащая емкость для неочищенной воды, установленный в емкости теплообменник для отвода тепла и намораживания льда, средства для нагрева и оттаивания льда, морозильный агрегат с системой его охлаждения, трубопровод с вентилем для слива воды с примесями, трубопровод с вентилем для слива талой воды, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен по форме многоступенчатого змеевика, расположенного в верхней части емкости по высоте примерно 1/3÷2/3 высоты емкости на расстоянии 2÷5 см относительно верхнего основания емкости и симметрично относительно ее боковой поверхности с зазором, обеспечивающим возможность объемного намораживания льда в воде вокруг змеевика до размера, не перекрывающего при кристаллизации льдом этот зазор, емкость снабжена термоизоляционной крышкой и уплотнением, трубопровод для слива воды с примесями установлен в самом сечении конического дна емкости, трубопровод для слива талой воды установлен внизу выше конического дна емкости на 0,5÷2 см. Установка снабжена фильтром тонкой очистки с водоотводящей трубкой с вентилем и насосом для циркуляции и перекачки талой воды под давлением через фильтр тонкой очистки и блоком управления в ручном или автоматическом режиме.
Основными недостатками прототипов способа и устройства является недостаточное качество очистки воды вследствие того, что в устройстве теплообменник размещен внутри рабочей емкости, что не позволяет равномерно по объему замораживать воду в виде осесимметричного тороидального тела или равномерно оттаивать лед, вследствие чего снижается качество очистки воды от вредных примесей и дейтерия. Указанная установка имеет большие габариты и вес морозильного агрегата с системой его охлаждения, а часть полезного объема в емкости для замораживания воды занята теплообменником, выполненным в виде змеевика, что также повышает габариты устройства и затрудняет его использование в бытовых условиях.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание такого способа и аппарата для очистки воды, которые повышают качество очистки воды от неорганических солей, органики и вредных примесей тяжелой воды (дейтерия и трития), снижают время получения готового продукта, вес, габариты устройства и улучшают удобство пользования указанным устройством путем полной автоматизации процесса получения талой очищенной воды.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе очистки воды, включающем первое охлаждение воды в термостатируемой рабочей емкости и последующее ее постепенное замораживание при температуре выше температуры кристаллизации жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями в течение времени, достаточном для полной кристаллизации чистой воды с примесями тяжелой воды и формирования жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями, слив указанного рассола, нагрев массы льда при постепенном повышении температуры до значений, превышающих температуру кристаллизации тяжелой воды, и выдержке льда при указанной температуре до полного его размораживания, повторное охлаждение воды до температуры кристаллизации тяжелой воды и выдержку ее при указанной температуре до полной кристаллизации тяжелой воды и слив готового продукта в виде очищенной талой воды при ее одновременной фильтрации через фильтр тонкой очистки, согласно изобретению нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками термоэлектрических элементов в автоматическом режиме, температуру среды внутри рабочей емкости при первом охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°С/мин, время цикла первой кристаллизации воды рассчитывают в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по повышению температуры среды у боковой стенки рабочей емкости не менее чем на 0,5°С, температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 4,0°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,05-0,1°С/мин, температуру среды внутри рабочей емкости при таянии льда до полного его расплавления после слива рассола повышают до величины не выше плюс 10°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,16-0,18°С/мин, а температуру среды внутри рабочей емкости при повторном охлаждении воды и кристаллизации тяжелой воды снижают до величины не ниже плюс 2°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости равной интервалу значений 0,1-0,3°С /мин.
Время очистки воды от органических и неорганических примесей до слива рассола составляет не более 360 минут, а полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды не превышает 480 минут.
Для более длительного сохранения биологически активных свойств очищенной талой воды перед ее сливом в потребительскую емкость процесс повторной кристаллизации воды поддерживают при температуре не более +2°С в течение не менее 300 минут.
Содержание чистой талой воды составляет не менее 65 об.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 2 раза.
Указанный технический результат достигается также тем, что в аппарате для очистки воды, включающем рабочую емкость с крышкой и наклонным днищем с отверстием для слива воды, средство для замораживания воды и таяния льда с блоком управления, емкость для приема талой очищенной воды и емкость для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, трубопроводы со средством для управления сливом воды в последних, подсоединенные к сливному отверстию наклонного днища рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, сливные патрубки которых установлены соответственно над емкостью для приема очищенной талой воды и емкостью для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, согласно изобретению средство для замораживания воды и таяния льда выполнено в виде термоэлектрического модуля, содержащего несколько термоэлектрических элементов, расположенных снаружи на боковых стенках рабочей емкости для замораживания воды и таяния льда, средство для управления сливом воды в трубопроводах содержит установленные попарно в последних четыре клапана, а указанные трубопроводы для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом с фильтром тонкой очистки воды, места соединения которого с трубопроводами для слива воды расположены между клапанами средства для управления сливом воды в указанных трубопроводах. Блок управления средствами для замораживания воды и таяния льда включает электронный блок управления термоэлектрическим модулем, блок управления клапанами для слива воды, соединенный с указанными клапанами, программный автомат и блок измерения температуры с датчиками температуры, установленными на дне, боковой стенке емкости для замораживания воды и таяния льда и на радиаторах термоэлектрического модуля. Причем программный автомат подключен к блоку управления клапанами, блоку измерения температуры и электронному блоку управления термоэлектрическим модулем.
На фиг.1 изображена схема заявляемого аппарата для очистки воды. На фиг.2 приведен график температурно-временного цикла получения очищенной талой воды.
Описание аппарата для реализации способа очистки воды
Аппарат включает корпус 1, в котором размещены рабочая емкость 2 с крышкой 3 и наклонным днищем 4 с отверстием 5 для слива воды, термоэлектрический модуль 6 для замораживания воды и таяния льда, емкость 7 для приема талой очищенной воды и емкость 8 для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Трубопроводы 9 и 10 содержат средство 11 для управления сливом воды и подсоединены к отверстию 5 наклонного днища 4 рабочей емкости 2. Сливные патрубки 12 и 13 трубопроводов 9 и 10 установлены соответственно над емкостью 7 для приема очищенной талой воды и емкостью 8 для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия. Термоэлектрический модуль 6 содержит несколько термоэлектрических элементов 14, расположенных снаружи на боковой поверхности рабочей емкости 2 для замораживания воды и таяния льда. Средство 11 для управления сливом воды в трубопроводах 9 и 10 содержит установленные попарно в последних четыре нормально закрытых клапана 15, 16, 17 и 18, а указанные трубопроводы 9 и 10 для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом 19 с фильтром 20 тонкой очистки воды. Места соединения трубопровода 19 с трубопроводами 9 и 10 для слива воды расположены соответственно между нормально закрытыми клапанами 15, 16 и 17 и 18 средства 11 для управления сливом воды в указанных трубопроводах. Кроме того, аппарат имеет блок 21 управления, включающий электронный блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6, соединенный с его элементами 14, блок 23 управления клапанами 15-18, соединенный с последними, программный автомат 24 и блок 25 измерения температуры с датчиками 26, 27 и 28 температуры, установленными соответственно на дне и боковой стенке емкости 2, а также на радиаторах термоэлектрического модуля 6. Программный автомат 24 подключен к блоку 23 управления клапанами, блоку 25 измерения температуры и блоку 22 управления термоэлектрическим модулем 6. В варианте выполнения аппарата для бытовых нужд емкости 2, 7 и 8 имеют объем 2 литра. Вес прибора с пустыми емкостями составляет не более 5 кг, потребляемая мощность - 350 ватт, а габариты не более 300×320×270 мм.
Описание способа очистки воды
Способ очистки воды осуществляют посредством аппарата (фиг.1). В термостатируемую рабочую емкость 2 объемом, например, 2 л заливают 1,5 л водопроводной воды. Все процессы: нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками термоэлектрических элементов 14 в автоматическом режиме посредством электронного блока 21 управления и алгоритма (программы) последовательности выполнения операций по очистке воды. График температурно-временного цикла приведен на фиг.2. При включении термоэлектрического модуля 6 на режим охлаждения происходит первое охлаждение воды. Температуру среды внутри рабочей емкости 2 при первом охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°С/мин (линия 1, фиг.2). Далее осуществляют процесс первой кристаллизации воды. Время цикла первой кристаллизации воды рассчитывают в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по повышению температуры среды у боковой стенки рабочей емкости не менее чем на 0,5°С. Температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 4,0°С (температура выше температуры кристаллизации жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями) со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,05-0,1°С/мин (линия 2, фиг.2). В течение времени (около 360 минут) достигается полная кристаллизация чистой воды в виде тороида с примесями тяжелой воды и формирование жидкого рассола внутри указанного тела с органическими и неорганическими примесями. В течение нескольких минут рассол объемом от 300 до 550 мл сливают в отведенную для него емкость 8. Оставшийся в рабочей емкости лед нагревают путем переключения термоэлектрических элементов 14 на режим нагрева. Температуру среды внутри рабочей емкости при таянии льда до полного его расплавления после слива рассола повышают до величины не выше плюс 10°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,16-0,18°С /мин (линия 3, фиг.2). Нагрев массы льда при постепенном повышении температуры осуществляют около 85 минут до полного его размораживания. Затем проводят повторное охлаждение воды со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°С /мин, до температуры кристаллизации тяжелой воды (не ниже плюс 2°С) и выдержке ее при указанной температуре до полной кристаллизации тяжелой воды в течение не более 45 минут (линия 4, фиг.2). Затем производят в течение нескольких минут слив готового продукта в виде очищенной талой воды в количестве 950-1200 мл в потребительскую емкость 7 при ее одновременной фильтрации через фильтр тонкой очистки. Далее аппарат включают на несколько минут на режим нагрева до температуры не выше +10°С, при котором расплавляются оставшиеся в емкости 2 кристаллы тяжелой воды (линия 5, фиг.2). Остаток с примесями тяжелой воды в количестве 50-100 мл сливают в емкость 8. Полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды не превышает 480 минут. Содержание чистой талой воды составляет не менее (65-80) об.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 2 раза.
При необходимости для более длительного сохранения биологически активных свойств очищенной талой воды работу аппарата программируют таким образом, что перед ее сливом в потребительскую емкость 7 процесс повторной кристаллизации воды поддерживается при температуре не более +2°С в течение не менее 300 минут.
Описание работы аппарата для очистки воды
1. Устройство включают в электрическую сеть.
2. Открывают крышку 3 и в рабочую емкость 2 заливают 1,5-1,7 литра воды (питьевая, водопроводная по ГОСТу). Крышку 3 закрывают.
3. На пульте управления (на чертеже не показан) включают кнопку «Сеть», соединенную с электронным блоком 21 управления. Загорается индикация сети.
4. Нажимают кнопку «Начать процесс».
Программный автомат 24 в электронном блоке управления 21 выполняет следующий алгоритм работы устройства:
4.1. Блок управления клапанами 23 открывает клапаны 15 и 18 (клапаны 16, 17 закрыты). Происходит промывка фильтра 20 и трубопроводов 9, 10 и 19 водой в объеме 20-50 мл из рабочей емкости 2 и слив грязной воды в емкость 8.
4.2. Клапаны 15 и 18 закрываются.
4.3. Электронный блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает термоэлектрические элементы 14 в режим охлаждения. Электронный блок управления 21 включает блок 25 измерения температуры посредством датчиков 26, 27 и 28 температуры, установленных соответственно на дне и боковой стенке емкости 2, а также на радиаторах термоэлектрического модуля 6.
4.4. В емкости 2 происходит охлаждение воды до температуры кристаллизации. После этого идет контроль фазового перехода - спонтанного повышения температуры на 0,5-1,0°С за 1 минуту, т.е. при резком повышении температуры на 0,5-1,0°С фиксируется фазовый переход. Далее осуществляется процесс кристаллизации (замораживания воды) - образование льда и охлаждение полученного льда до минус 4-5°С в течение 4-5 часов. Процесс льдообразования происходит в направлении от стенок рабочей емкости 2, охлаждаемых термоэлектрическими элементами 14 к центру. Отвод тепла от термоэлектрических элементов 14 обеспечивается с помощью радиаторов, обдуваемых вентиляторами (на чертеже не обозначены).
Растворенные в воде примеси (соли металлов, органические загрязнения и т.д.) в процессе образования льда вытесняются в объем, расположенный по центру рабочей емкости 2, тем самым происходит образование «рассола» - воды с повышенным содержанием солей и различных загрязнителей. В соответствии с общеизвестными данными температура замерзания данного «рассола» составляет минус 6-7°С.
4.5. Блок 23 управления клапанами открывает клапаны 17, 18 (клапаны 15, 16 закрыты). Происходит слив «рассола» из рабочей емкости 2 по трубопроводу 10 в емкость 8 в течение 2-3 минут. Клапаны 17, 18 закрываются.
4.6. Блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает термоэлектрические элементы 14 в режим нагрева. Происходит повышение температуры льда в рабочей емкости 2 до температуры 0°С, при которой наступает плавление льда и последующий нагрев полученной очищенной талой воды с примесью тяжелой воды до температуры +10°С по истечении времени до 85 минут.
4.7. Далее блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает термоэлектрические элементы 14 в режим охлаждения. Происходит понижение температуры воды в рабочей емкости 2 до температуры +2°С (режим стабилизации). Затем блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает термоэлектрические элементы 14 в режим термостата для поддержания заданной температуры очищенной талой воды в рабочей емкости 2 в диапазоне плюс 2-3°С. Находящаяся в составе талой воды тяжелая вода (D2O) имеет температуру замерзания +3,8°С, таким образом, в процессе поддержания температуры талой воды в диапазоне +2-+3°С, происходит процесс кристаллизации тяжелой воды с образованием мелких кристаллов тяжелой воды.
4.8. После истечения 45 минут на электронном блоке 21 управления загорается надпись «Процесс окончен. Талая вода готова». После загорания надписи в течение 300 минут может быть реализован слив талой воды и выключение устройства.
5. Нажимают кнопку «Талая вода». Блок 23 управления клапанами открывает клапаны 16, 17 (клапаны 15, 18 закрыты), происходит слив талой воды по трубопроводам 9, 10 через фильтр 20 в емкость 7 в течение времени 3-5 минут. Прохождение талой воды через фильтр 20 обеспечивает осаждение на нем мельчайших кристаллов тяжелой воды (D2O). Блок 23 управления клапанами закрывает клапаны 16, 17.
6. Далее блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 включает на кратковременный нагрев термоэлектрические элементы 14, при котором нагреваются боковые стенки емкости 2 и расплавляются кристаллы тяжелой воды. Блок 23 управления клапанами открывает клапаны 17, 18 для слива остатков воды в емкость 8. Блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6 выключает термоэлектрические элементы 14. Электронный блок 21 управления выключает блок 25 измерения температуры и выключается сам.
7. Если в течение 300 минут после загорания надписи «Процесс окончен. Талая вода готова» не произведен слив талой воды и отключения устройства, то программный автомат 24 поддерживает в рабочей емкости температуру плюс 2°С (для сохранения структуры талой воды) и по истечении указанного выше времени подает сигнал на электронный блок 21 управления, который выдает команду блоку 23 управления клапанами. При этом открываются клапаны 17, 18 (клапаны 15, 17 закрыты). Происходит слив талой воды в потребительскую емкость 7.
8. Клапаны 17, 18 закрываются, отключается блок 23 управления клапанами, отключается блок 22 управления термоэлектрическим модулем 6, отключается блок 25 измерения температуры, отключается программный автомат 24, отключается электронный блок 21 управления. Общее время протекания процесса получения талой воды до 480 минут.
9. Кнопку «Сеть» выключают.
В таблице приведены данные исследований качества очистки воды на содержание неорганических примесей, проведенных в аналитическом центре Института геологии и минералогии Сибирского отделения РАН.
| Таблица Результаты исследования качества очистки воды |
||||||
| № образца | Характеристика образца | Массовая концентрация, мкг/л | ||||
| Калий | Натрий | Кальций | Магний | Кремний | ||
| 1 | Вода водопроводная | 930 | 5700 | 36000 | 6000 | 2000 |
| 2 | Очищенная вода | 340 | 2000 | 16200 | 3100 | 1000 |
| 3 | Вода из природного источника | 930 | 12000 | 93000 | 12900 | |
| 4 | Очищенная вода | 630 | 5200 | 60000 | 9000 | - |
| Требования ГОСТ 2874-82 (Вода питьевая) | 20000 | 200000 | 130000 | 65000 | 10000 |
Анализ таблицы показывает, что после очистки воды заявляемыми способом и аппаратом содержание неорганических примесей снизилось. Содержание кальция уменьшилось в 1,8-1,5 раза, магния - в 2 раза, а калия - в 1,7-2,7 раза. Содержание натрия уменьшилось более чем в 2 раза. Таким образом, результаты анализа подтверждают значительную степень очистки воды от неорганических примесей.
Таким образом, заявляемые способ и аппарат для очистки воды по сравнению с известными аналогами и прототипом повышают качество очистки воды от вредных примесей и тяжелой воды (дейтерия и трития) за счет концентрирования удаляемых органических и неорганических примесей в приосевой зоне рабочей емкости, улавливания кристаллов тяжелой воды посредством фильтра тонкой очистки и обеспечения возможности хранения очищенной талой воды при +2°С, улучшают удобство пользования указанным устройством за счет использования термоэлектрических элементов, выполнения его компактным, небольшим по весу и обеспечения возможности работы в автоматическом режиме всего процесса очистки воды. Автоматизация процесса очистки воды позволяет также сократить время получения готового продукта за счет оптимально подобранных режимов (скорость и время, температура и т.п.) замораживания и оттаивания.
1. Способ очистки воды, включающий первое охлаждение воды в термостатируемой рабочей емкости и последующее ее постепенное замораживание при температуре выше температуры кристаллизации жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями в течение времени, достаточного для полной кристаллизации чистой воды с примесями тяжелой воды и формирования жидкого рассола с органическими и неорганическими примесями, слив указанного рассола, нагрев массы льда при постепенном повышении температуры до значений, превышающих температуру кристаллизации тяжелой воды, и выдержку льда при указанной температуре до полного его размораживания, повторное охлаждение воды до температуры кристаллизации тяжелой воды и выдержку ее при указанной температуре до полной кристаллизации тяжелой воды и слив готового продукта в виде очищенной талой воды в потребительскую емкость при ее одновременной фильтрации через фильтр тонкой очистки, отличающийся тем, что нагрев, охлаждение, кристаллизацию воды и таяние льда осуществляют равномерно снаружи рабочей емкости посредством контактирующих с ее термопроводящими стенками термоэлектрических элементов в автоматическом режиме, температуру среды внутри рабочей емкости при первом охлаждении воды снижают до величины не ниже минус 3°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°С/мин, время цикла первой кристаллизации воды рассчитывают в автоматическом режиме программными средствами с момента ее фазового перехода, определяемого по повышению температуры среды у боковой стенки рабочей емкости не менее чем на 0,5°С, температуру среды внутри рабочей емкости при первой кристаллизации воды снижают до величины не ниже минус 4°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,05-0,1°С/мин, температуру среды внутри рабочей емкости при таянии льда до полного его расплавления после слива рассола повышают до величины не выше плюс 10°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,16-0,18°С/мин, а температуру среды внутри рабочей емкости при повторном охлаждении воды и кристаллизации тяжелой воды снижают до величины не ниже плюс 2°С со скоростью изменения температуры среды в рабочей емкости, равной интервалу значений 0,1-0,3°С /мин.
2. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что время очистки воды от органических и неорганических примесей до слива рассола составляет не более 360 мин, а полный цикл получения готового продукта в виде очищенной талой воды не превышает 480 мин.
3. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что для более длительного сохранения биологически активных свойств очищенной талой воды перед ее сливом в потребительскую емкость процесс повторной кристаллизации воды поддерживают при температуре не более +2°С в течение не менее 300 мин.
4. Способ очистки воды по п.1, отличающийся тем, что содержание чистой талой воды составляет не менее 65 об.% от ее исходного объема со снижением общего содержания неорганических примесей не менее чем в 2 раза.
5. Аппарат для очистки воды, включающий корпус (1), в котором размещены термостатированная рабочая емкость (2) с крышкой (3) и наклонным днищем (4) с отверстием (5) для слива воды, средство для замораживания воды и таяния льда с блоком (21) управления, потребительская емкость (7) для приема талой очищенной воды и емкость (8) для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, трубопроводы (9 и 10) со средством (11) для управления сливом воды в последних, подсоединенные к сливному отверстию (5) наклонного днища (4) рабочей емкости (2) для замораживания воды и таяния льда, сливные патрубки (13 и 12) которых установлены, соответственно, над потребительской емкостью (7) для приема очищенной талой воды и емкостью (8) для приема воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия, отличающийся тем, что средства для замораживания воды и таяния льда выполнены в виде термоэлектрического модуля (6), содержащего несколько термоэлектрических элементов (14), расположенных снаружи на боковой стенке рабочей емкости (2) для замораживания воды и таяния льда, средство (11) для управления сливом воды в трубопроводах (9 и 10) содержит установленные попарно в последних четыре нормально закрытых клапана (15, 16, 17 и 18), а указанные трубопроводы (9 и 10) для слива воды дополнительно соединены между собой трубопроводом (19) с фильтром (20) тонкой очистки воды, участки соединения которого с трубопроводами (9 и 10) для слива воды расположены между клапанами (15, 16, 17 и 18) средства для управления сливом воды в указанных трубопроводах (9 и 10).
6. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что рабочая емкость (2) выполнена прямоугольной формы, соотношение ее высоты к длине и ширине составляет соответственно не менее 1,0 и не более 1,2.
7. Аппарат по п.5, отличающийся тем, что блок (21) управления средством для замораживания воды и таяния льда включает электронный блок (22) управления термоэлектрическим модулем (6), блок (23) управления клапанами (15-18) для слива воды, соединенный с указанными клапанами (15-18), программный автомат (24) и блок (25) измерения температуры с датчиками (26, 27 и 28) температуры, установленными на дне (4), боковой стенке емкости (2) для замораживания воды и таяния льда и на радиаторах термоэлектрического модуля (6), причем программный автомат (24) подключен к блоку (23) управления клапанами (15-18), блоку (25) измерения температуры и электронному блоку (22) управления термоэлектрическим модулем (6).
