Способ обеззараживания жидкости

Изобретение относится к обеззараживанию питьевых и сточных вод и может быть использовано для очистки и обеззараживания плавательных бассейнов, природных водоемов и в медицинских стерилизаторах. Способ включает обеззараживание жидкости импульсными электрическими разрядами, создаваемыми в соплообразном промежутке между полыми электродами, погруженными в жидкость. Первоначально перед подачей основного импульса напряжения на электроды формируют затопленную струю жидкости путем перемещения жидкости в промежутке между электродами. Давление газа над поверхностью жидкости, скорость течения струи жидкости и амплитуду основного импульса напряжения устанавливают в соответствии с определенными соотношениями. Формирование затопленной струи жидкости осуществляют путем подачи предварительного импульса напряжения на электроды, погружение которых производят на определенную глубину, а время между предварительным импульсом напряжения и основным импульсом напряжения определяют согласно приведенному соотношению. В электродах выполнены группы отверстий. Технический результат состоит в ускорении обеззараживания жидкости при экономии электроэнергии. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области деконтаминации питьевых и сточных вод и может быть использовано для очистки и обеззараживания плавательных бассейнов, природных водоемов и в медицинских стерилизаторах.

Известен способ стерилизации хирургических инструментов и устройство для его осуществления посредством воздействия на болезнетворные микроорганизмы обеззараживающих факторов, сопровождающих электрический разряд в жидкой и газовой среде [1]. Однако попеременное инициирование электрического разряда в жидкой и газовой среде, в устройствах, реализующих способ, требует дополнительных энергозатрат, а наличие механического узла, работающего в циклическом режиме, снижает их надежность.

Известен способ обеззараживания воды электрическими разрядами [2], когда электрический разряд инициируется и формируется в зоне вязкого перемешивания затопленной струи жидкости, истекающей из межэлектродного промежутка, выполненного в виде кольцевого сопла. Общая ось полых цилиндрических электродов перпендикулярна границе раздела жидкой и газовой фаз. Подачу струи жидкости осуществляют с помощью поршня, приводимого в движение индукционно-динамическим приводом, вдоль оси полого нижнего электрода и рабочего цилиндра, с последующим перпендикулярным поворотом перед выходом из сопла, образованного электродами. Кавитационные явления в зоне смешения струи облегчают инициирование электрического разряда, который принимает вид тонкой плазменной оболочки с развитой поверхностью излучения, повторяющей форму струи жидкости. Устройство, реализующее способ, работает в циклическом режиме: формируется струя жидкости, заданной длины, подается импульс электрического напряжения, выделяется энергия, поршень привода возвращается в исходное положение, полости электродов и рабочего цилиндра заполняются жидкостью. После того как емкостные накопители энергии привода и формирователя импульса, подаваемого на межэлектродный промежуток, зарядятся, устройство готово к следующему рабочему циклу.

Недостатками данного способа являются большие энергозатраты и время обеззараживания жидкости.

Техническим результатом данного изобретения является снижение энергозатрат и времени обеззараживания жидкости при повышении эффективности воздействия на болезнетворные микроорганизмы.

Для достижения указанного технического результата в известном способе обеззараживания жидкости импульсными электрическими разрядами, создаваемыми в соплообразном промежутке между полыми электродами, погруженными в жидкость, при котором первоначально перед подачей основного импульса напряжения U₂ на электроды формируют затопленную струю жидкости путем осуществления перемещения жидкости в промежутке между электродами, при этом давление газа над поверхностью жидкости Р₀, скорость течения струи жидкости v_s и амплитуду основного импульса напряжения U₂ устанавливают в соответствии с соотношениями: (Р₀-P_нас.)ρv_s ²≤0,2; U₂/L_d2>Е_d2, где Р_нас. - давление насыщенных паров жидкости; ρ - плотность жидкости; L_d2 - длина разряда в затопленной струе жидкости; Е_b2 - пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка при истечении затопленной струи, предложено формирование затопленной струи жидкости осуществлять путем подачи предварительного импульса напряжения U₁ на электроды, погружение которых производить на глубину Н=(1,5÷2,0)d, где d - наружный диаметр электродов, с установкой между ними зазора h=(0,05÷0,1)d, а время τ между предварительным импульсом напряжения U₁ и основным импульсом напряжения U₂ определять согласно соотношению: τ=2T₁+(2÷3)H/v_b, где T₁ - период разряда емкостного накопителя энергии предварительного импульса напряжения, v_b - скорость расширения парогазового пузыря, сопровождающего начало истечения затопленной струи (определяется экспериментально, например, посредством высокоскоростной фоторегистрации - v_b≈100 м/с). Электроды размещают в жидкости таким образом, что их общая ось образует с поверхностью жидкости угол φ=0÷90°. В электродах выполнены группы отверстий, причем отношение суммарной площади S_отв. группы отверстий в каждом из электродов к площади S сопла, образованного электродами, устанавливают в пределах S_отв./S=0,02÷0,03.

На чертеже представлен продольный разрез одной из возможных конструкций, в которой реализуется предложенный способ обеззараживания жидкости.

На платформе-поплавке 1, выполненной в виде диска с отверстием в центре, с помощью держателей 2 и 3 соосно размещены полые цилиндрические электроды 4 и 5 так, что их общая ось OO₁ образует со свободной поверхностью жидкости 6 угол φ=0°. Угол φ может изменяться от 0° до 90° известным способом с помощью держателей 2 и 3 или другого узла перемещения известной конструкции. Электроды 4 и 5 размещают на расстоянии Н=(1,5÷2,0)d, где d - наружный диаметр электродов 4 и 5, от поверхности жидкости 6. В электродах 4 и 5 выполнены группы отверстий 7, причем отношение суммарной площади S_отв. каждой из групп отверстий, размещенных в электродах 4 и 5, к площади кольцевого сопла, образованного электродами 4 и 5, - S устанавливают в пределах S_отв./S=0,02÷0,03. S=πdh, где d - наружный диаметр электродов 4 и 5, h - межэлектродный зазор. S_отв.=nπ d_отв. ²/4, где n - количество отверстий в группе, d_отв. - диаметр отверстия. Необходимый межэлектродный зазор h=(0,05÷0,1)d обеспечивают посредством перемещения электродов 4 и 5 в держателях 2 и 3. Полости электродов 4 и 5 заполнены жидкостью. Параллельно электродам 4 и 5 подключены цепь, состоящая из коммутатора 8 и емкостного накопителя энергии 9, а также цепь, состоящая из коммутатора 10 и емкостного накопителя энергии 11.

Емкостные накопители энергии 9 и 11 заряжают известным способом, затем подключают с помощью коммутатора 8 емкостной накопитель энергии 9 к электродам 4 и 5. Таким образом, к межэлектродному промежутку прикладывается предварительный импульс напряжения U₁. Амплитуду предварительного импульса напряжения U₁ устанавливают согласно соотношению U₁>Е_b1h, где Е_b1 - пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка в невозмущенной жидкости. При электрическом разряде образуется ударная волна, после выхода которой на свободную поверхность жидкости 6 возникает сходящаяся волна разгрузки. Это приводит к появлению кавитационных пузырьков в приповерхностном слое жидкости, которые затем захлопываются под действием атмосферного давления, что способствует продолжению процесса обеззараживания жидкости в объеме, значительно превышающем объем слоя жидкости, непосредственно окружающего канал электрического разряда. После того как емкостной накопитель энергии 9 полностью разрядится, электрический разряд гаснет и на его месте образуется парогазовый пузырь 12 расширяющейся в направлении свободной поверхности жидкости 6. На поверхности жидкости 6 возникает колоколообразный выброс, как при взрыве на небольшой глубине. Это увеличивает количество воздуха, растворенного в жидкости, а значит, стимулирует кавитационные процессы и образование сильнейшего антисептика озона из кислорода, содержащегося в воздухе под действием ультрафиолетового излучения электрического разряда. Электрический разряд в жидкости сопровождается световым излучением, генерацией ударных волн, пульсациями парогазового пузыря в послеразрядный период времени и другими факторами, губительно воздействующими на болезнетворные микроорганизмы. Одновременно с расширением парогазового пузыря в межэлектродном промежутке начинается истечение затопленной струи жидкости. Когда общая ось OO₁ полых цилиндрических электродов 4 и 5 образует со свободной поверхностью жидкости 6 угол φ=0°, ось струи независимо от места кольцевого межэлектродного промежутка, где произошел пробой, всегда перпендикулярна свободной поверхности жидкости и направлена в противоположную сторону. Если φ=90°, направление движения струи диаметрально противоположно месту кольцевого межэлектродного промежутка, где произошел пробой. Поэтому струю можно использовать и для механической очистки поверхностей, например стенок бассейна, или промывки медицинских инструментов, размещая их в сетчатых контейнерах, установленных по направлению движения струи. Длина струи достигает оптимальной величины за время τ=2T₁+(2÷3)Н/v_b после подачи предварительного импульса напряжения U₁, где T₁ - период разряда емкостного накопителя энергии предварительного импульса напряжения 9 (с), Н - глубина погружения межэлектродного промежутка (м), v_b - скорость расширения парогазового пузыря (м/с) (определяется экспериментально, например, посредством высокоскоростной фоторегистрации - v_b≈100 м/с). После этого подключают с помощью коммутатора 10 емкостной накопитель энергии 11 к электродам 4 и 5. Давление газа над поверхностью жидкости, скорость течения струи жидкости и амплитуду основного импульса напряжения устанавливают в соотношениях: (Р₀-Р_нас.)ρv_s ²≤0,2; U₂/L_d2>Е_b2, где Р₀ - давление газа над поверхностью жидкости (Па); Р_нас. - давление насыщенных паров жидкости (Па); ρ - плотность жидкости (кг/м³); v_s - скорость течения струи жидкости (м/с); U₂ - амплитуда основного импульса напряжения (В); L_d2 - длина разряда в затопленной струе жидкости (м); Е_b2 - пороговое значение напряженности электрического поля (В/м), при которой происходит пробой межэлектродного промежутка при истечении затопленной струи жидкости. В присутствии струи жидкости происходит снижение порогового напряжения пробоя и формирование пленочного разряда с развитой поверхностью излучения. Пробой развивается не по кратчайшему расстоянию между электродами, а в граничной области по огибающей струи, которая становится зоной инициирования разряда. Процессы истечения струи и заполнения полостей электродов 4 и 5 жидкостью через области межэлектродного промежутка, примыкающие к сектору истечения струи, и через отверстия 7 происходят одновременно. Емкостной накопитель энергии 11 разряжается и разряд гаснет. Емкостные накопители энергии 9 и 11 заряжают (за время зарядки происходит также полное восстановление электрической прочности межэлектродного промежутка). После окончания зарядки устройство, в котором реализуется способ обеззараживания жидкости, готово к следующему рабочему циклу. Устройства, в которых используется данный способ, могут работать с частотой 1-100 Гц.

Как показали эксперименты, использование данного способа позволяет снизить в 2,5 раза время обеззараживания жидкости и в 1,5 раза энергозатраты по сравнению с прототипом. Кроме того, способ обладает более широко направленным обеззараживающим действием за счет использования двух типов электрических разрядов с различными характеристиками (например, длиной волны излучения) за время одного рабочего цикла.

Приведем один из конкретных примеров реализации способа. Электродный узел погружен в техническую воду с проводимостью σ₀=2,8·10^-2 См/м и температурой t=20°С. Наружный диаметр электродов d=60 мм. Электроды размещены на расстоянии Н=100 мм от поверхности жидкости. Межэлектродный зазор h=3 мм, общая ось электродов образует со свободной поверхностью жидкости угол φ=0°. Давление воздуха над поверхностью жидкости Р=0,1 МПа, скорость течения струи жидкости v_s=50 м/с, амплитуда предварительного импульса напряжения U₁=13 кВ, амплитуда основного импульса напряжения U₂=5 кВ, пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка в невозмущенной жидкости Е_b1=14·10² кВ/м, пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка при истечении затопленной струи жидкости Е_b2=45 кВ/м, длина разряда в затопленной струе жидкости L_d2=0,1 м. Период разряда емкостного накопителя энергии предварительного импульса напряжения T₁=5·10^-5 с, время между предварительным импульсом напряжения U₁ и основным импульсом напряжения U₂ τ=2·10^-3 с. Для полного обеззараживания воды посредством разрядов в невозмущенной жидкости и электрических разрядов с развитой поверхностью излучения, сформированных в зоне вязкого перемешивания затопленной струи, в тесте по общепринятой методике Коха (кишечная палочка, 10¹² кл/м³, высев суспензии на плотную питательную среду в чашки Петри) затрачивалась энергия W=0,15 МДж/м³.

Источники использованной информации

1. В.В.Педдер и др. Способ стерилизации хирургических инструментов и устройство для его осуществления. Авторское свидетельство СССР № 1515449, кл. А61L 2/12, 1988.

2. Э.А.Азизов, А.И.Емельянов, В.А.Ягнов. Методы обеззараживания воды электрическими разрядами. Прикладная физика, 2003, № 2, С.26. http://www.vimi.ru/applphys/2003/2/f2-5.htm

1. Способ обеззараживания жидкости импульсными электрическими разрядами, создаваемыми в соплообразном промежутке между полыми электродами, погруженными в жидкость, при котором первоначально перед подачей основного импульса напряжения U₂ на электроды формируют затопленную струю жидкости путем осуществления перемещения жидкости в промежутке между электродами, при этом давление газа над поверхностью жидкости Р₀, скорость течения струи жидкости v_s и амплитуду основного импульса напряжения U₂ устанавливают в соответствии с соотношениями: ((P₀-P_нас)/ρv_s ²≤0,2;
U₂/L_d2>E_b2,
где Р_нас - давление насыщенных паров жидкости;
ρ - плотность жидкости;
L_d2 - длина разряда в затопленной струе жидкости;
Е_b2 - пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит пробой межэлектродного промежутка при истечении затопленной струи жидкости, отличающийся тем, что формирование затопленной струи жидкости осуществляют путем подачи предварительного импульса напряжения U₁ на электроды, погружение которых производят на глубину H=(1,5÷2,0)d, где d - наружный диаметр электродов, с установкой между ними зазора h=(0,05÷0,1)d, а время τ между предварительным импульсом напряжения U₁ и основным импульсом напряжения U₂ определяют согласно соотношения τ=2T₁+(2÷3)H/v_b, где T₁ - период разряда емкостного накопителя энергии предварительного импульса напряжения, v_b - скорость расширения парогазового пузыря, сопровождающего начало истечения затопленной струи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроды размещают в жидкости таким образом, что их общая ось образует с поверхностью жидкости угол φ=0÷90°.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в электродах выполнены группы отверстий, причем отношение суммарной площади S_отв группы отверстий в каждом из электродов к площади S сопла, образованного электродами, устанавливают в пределах S_отв/S=0,02÷0,03.