способ очистки воды высоковольтным импульсным разрядом и реактор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки воды путем воздействия высоковольтным импульсным разрядом, отличающийся тем, что предварительно сформированную рабочую струю воды пропускают в газовой среде через последовательный ряд сопел-электродов, между которыми зажигают высоковольтный импульсный разряд, параметры которого удовлетворяют соотношению

pt_фF(E/p),

где р - давление газа между соплами, Па;

t_ф - время формирования разряда, с;

Е - напряженность электрического поля между соплами, E=U/d;

U - амплитуда импульса воздействующего напряжения, В;

d - расстояние между соплами, м;

F - коэффициент, определяемый параметрами газовой среды.

2. Реактор очистки воды путем воздействия высоковольтным импульсным разрядом, содержащий цилиндрический корпус с разделяющей перегородкой, генератор высоковольтных импульсов, электроды, патрубки ввода и вывода воды, отличающийся тем, что в корпусе соосно с одной стороны перегородки расположен генератор высоковольтных импульсов, а с другой - камера обработки воды, включающая в себя патрубок ввода воды с рабочим соплом, формирующим рабочую струю, и выходное сопло с патрубком вывода, являющимся камерой смешения воды, между которыми расположен последовательный ряд сопел - электродов, присоединенных через один к высоковольтному выходу генератора, а других - к корпусу.

Описание изобретения к патенту

Способ очистки воды относится к высоковольтным импульсным технологиям и может быть использован для обработки воды электрическимм импульсными разрядами с целью ее очистки и обеззараживания.

Известны способы очистки воды (а.с. СССР 346232, МПК С 02 В 9/00, 1970; заявка ФРГ 2311504, МПК С 02 В 3/02, 1974; а.с. СССР 389030, МПК С 02 В 5/00, 1977) электрическими импульсными разрядами, формируемыми непосредственно в обрабатываемой воде. Обобщенные сведения по эффективности и действующим факторам приведены в работе Горячев В.Л., Рутберг Ф.Г, Федюкович В.Н. Электроразрядный метод очистки воды. Состояние проблемы и перспективы. // Известия АН. Энергетика. 1998, 1. С. 40-55. Из приведенных в работе результатов следует, что энергозатраты на очистку воды электроразрядным способом превосходят энергозатраты при озонировании воды в 10-100 и более раз. В связи с чем эти способы имеют ограниченную сферу использования и применяются в специфичных областях.

Более эффективными способами обработки воды электрическими импульсными разрядами, называемыми иногда электрофотохимическими, являются способы и устройства, описанные, например, в патентах (патент СССР 1835161 A3, МПК С 02 F 1/46, от 05.11.90; патент РФ 2136599, МПК С 02 F 1/28, 7/00 от 16.12.97; патент РФ 2136601, МПК С 02 F 1/46 от 01.06.98; патент РФ 2136602, МПК С 02 F 1/46 от 01.06.98).

Наиболее близким по технической сущности из приведенной группы патентов, выбранным нами за прототип, является способ очистки воды, описанный в патенте СССР 1835161, опубл. 05.11.90, включающий очистку воды путем воздействия высоковольтным электрическим разрядом на диспергированную на капли воду и обработка ее при напряжении 1-35 кВ в газовой среде.

Данный способ и подобные ему достаточно эффективен для очистки воды с определенными свойствами, но ему присущи недостатки, характерные для многих подобных технологий, использующих озон, - это низкий выход самого озона при наличии паров воды или повышенной влажности, см., например, Кожинов В.Ф., Кожинов И. В. Озонирование воды. - М.: Стройиздат, 1973, 160 с., Самойлович В.Г., Грибалов В.И., Козлов К. В. Физическая химия барьерного разряда. - М.: МГУ, 1989. - 176 с. К этому следует добавить, что наличие в зоне обработки всего 1 об. % углеводородов, наличие которых в обрабатываемых водах невозможно исключить без принятия специальных мер, реакции образования озона могут быть практически подавлены, см., например, Камьянов В.Ф., Лебедев А.К., Сивирилов П.П. Озонолиз нефтяного сырья. - Томск: МГП "Раско",1997. - 271 с. , с.10. Так при наличии в природной воде органических соединений энергозатраты на обработку воды возросли в 3-5 раз, см., например, Яворовский Н.А., Сериков Л.В., Шиян Л.Н. Изменение химического состава подземных вод после их электроимпульсной обработки, с. 48-54. Watter-99. Материалы международной научно-технической конференции, 28-30 сентября 1999 г., Томск-Томск: Изд-во ТПУ. 1999, 272 с. Таким образом, способ-прототип обладает низкой эффективностью очистки вод, содержащих органику, поскольку низка эффективность синтеза озона и других окислителей на его основе. Поскольку разряд осуществляется в парах воды и в присутствии других, например, органических веществ.

Реактор очистки воды по приведенному способу содержит вертикальный цилиндрический корпус, размещенные в нем электроды с изоляторами и патрубки для ввода и вывода воды, которые размещены на крышке и днище соответственно, причем в верхней части корпуса расположена горизонтальная перфорированная перегородка, а электроды установлены таким образом, что отношение диаметра отверстия перегородки к расстоянию между перегородкой и электродами составляет 0,0005-0,1.

Основной задачей, на решение которой направлены заявленный способ очистки воды и реактор для его осуществления, является получение более чистой воды при меньших энергозатратах и расширение области применения путем очистки более сложных вод по содержанию в них примесей.

Единым техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной группы изобретений, является более эффективное использование энергии по составляющим процесс очистки воды и воздействии на нее явлений, возникающих при этом.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе очистки воды путем воздействия на нее импульсным разрядом согласно изобретению предварительно сформированную рабочую струю воды пропускают в газовой среде через последовательный ряд сопел-электродов, между которыми зажигают высоковольтный импульсный разряд, параметры которого удовлетворяют соотношению:

pt_ф>=F(E/p),

где р - давление газа между соплами, Pa; t_ф - время формирования разряда, с, Е=U/d - напряженность поля между соплами, В/м; U - амплитуда воздействующего напряжения, В; d - расстояние между соплами, м; F - коэффициент, определяемый параметрами среды, для воздуха 10^--8<F<10.

Сопло содержит цилиндрическое отверстие и конусную часть. При подаче импульса высокого напряжения на сопла-электроды между их коническими частями загорается газовый разряд, в процессе горения которого образуется озон, возбужденные атомы и молекулы и т.д. (перечень реакций и продуктов приводится в упомянутой книге Самуйловича В.Г. и др.). При пропускании рабочей струи через сопла струя захватывает продукты разряда, т.е. рабочая струя и сопла образуют струйный откачивающий насос, с помощью которого происходит откачивание продуктов разряда и растворение их в рабочей струе. (См., например, Лямаев Б. Ф. Гидроструйные насосы и установки. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988, 256, с. 237-243). Этим обеспечивается высокая эффективность производства озона в разряде, поскольку продукты воды в зоне разряда отсутствуют. Кроме этого, при транспортировании продуктов разряда обеспечивается меньшая степень их релаксации и диссоциации по сравнению даже с обычными способами озонирования воды, поскольку путь транспортирования мал. Таким образом, в заявленном способе реализованы условия эффективного синтеза озона и других окислителей (О, О⁺,О^--) и условия их эффективного взаимодействия с водой и с ее примесями (загрязнениями). Таким образом, заданные параметры импульса обеспечивают квазиобъемную форму горения разряда или лавинную, лавинно-стримерную стадию разряда, при которой образуются оптимальные условия генерации озона. К тому же длительность формирования разряда может соответствовать длительности тока микроразряда при барьерном разряде, см., например, Королев Ю. Д., Месяц Г.А. Физика импульсного пробоя газов. - М.: Наука. Гл. ред. физ, - мат. лит. 1991. - 224 с. Здесь же приводятся сведения по определению значения F, с. 80, 81 и др. Все это в совокупности повышает выход озона.

Кроме того, при горении разряда генерируется широкий спектр излучений возбужденных молекул и атомов, лавин, а также излучения от воздействия импульса - длинноволновый спектр. Все эти излучения воздействуют на рабочую струю и на примеси, содержащиеся в ней. Все это повышает эффективность обработки. К тому же при воздействии импульса на сопла импульс воздействует также и на воду с примесями, находящуюся в рабочей струе, в которой начинают осуществляться электрохимические процессы: поляризация частиц дисперсной фазы, направленное их движение под действием поля, при котором происходит интенсивная агрегация и седиментация, см., например, Яковлев С.В., Рогов В.Н. Электрохимические методы очистки воды. - М.: Стройиздат, 1987, 300 с. Все это приводит к повышению эффективности очистки.

Указанный выше технический результат достигается тем, что в известном реакторе очистки воды путем воздействия высоковольтным импульсным разрядом, содержащем цилиндрический корпус с разделяющей перегородкой, генератор высоковольтных импульсов, электроды, патрубки ввода и вывода воды, согласно изобретению в корпусе соосно с одной стороны перегородки расположен генератор высоковольтных импульсов, а с другой - камера обработки воды, включающая в себя патрубок ввода воды с рабочим соплом, формирующим рабочую струю, и выходное сопло с патрубком вывода воды, являющимся камерой смешения воды, между которыми расположен последовательный ряд сопел-электродов, присоединенных через один к высоковольтному выходу генератора высоковольтных импульсов, а другие - к корпусу, причем другой выход генератора высоковольтных импульсов присоединен к корпусу. Размещение генератора высоковольтных импульсов в реакторе решает две задачи: исключает влияние систем передачи импульса на параметры импульса (на длительность фронта импульса) и обеспечивает охлаждение элементов генератора.

На чертеже показана конструкция реактора в сечении для обработки воды. Цилиндрический корпус 1 с разделяющей перегородкой 2 и соосно расположенный генератор высоковольтных импульсов 3 с одной стороны перегородки, содержащий: ферритовый магнитопровод 4 генератора, первичную 5 и вторичную 6 обмотки выходного импульсного трансформатора, накопительные конденсаторы 7, повышающий трансформатор с насыщающимся магнитопроводом 8 и источник исходных импульсов 9, а с другой стороны перегородки камеру обработки воды 10, включающую патрубок 11 ввода воды с рабочим соплом 12, формирующим рабочую струю 13, и выходное сопло 14 с патрубком вывода 15 воды, являющимся камерой смешения воды с продуктами разряда, между которыми расположено сопло-электрод 16 (их может быть несколько), присоединенное к выходу генератора высоковольтных импульсов (к одному из выводов вторичной обмотки импульсного трансформатора), а другой выход генератора высоковольтных импульсов присоединен к корпусу.

Работа реактора по чертежу осуществляется следующим образом. Вода из системы водоснабжения поступает в патрубок 11 ввода воды, где с помощью рабочего сопла 12 формируется рабочая струя 13, которую затем пропускают сквозь сопло-электрод 16 (количество сопел-электродов может быть и несколько), и поступает в патрубок 15 вывода воды, при этом на сопло-электрод 16 от генератора высоковольтных импульсов подаются импульсы высокого напряжении, под действием которых в камере обработки воды между соплом-электродом и другими соплами загорается газовый разряд, рабочая струя подвергается обработке полем и, захватывая продукты разряда, поступает в патрубок 15 вывода воды, где происходит окончательное смешение воды с продуктами разряда. Далее обработанная вода поступает на отстой, фильтрацию и к потребителю, т.е. по обычной технологии.