№182587 Установка фотокаталитической очистки воды

(72) Автор(ы):
Викарчук Анатолий Алексеевич (RU),
Малкин Владимир Сергеевич (RU),
Картавцева Евгения Юрьевна (RU),
Соснин Илья Михайлович (RU)

(73) Патентообладатель(и):
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" (RU)

(57) Реферат:

Полезная модель относится к области очистки воды от вредных примесей, нежелательных запахов и т.п. Задачей предлагаемого технического решения является создание простой по конструкции установки для очистки от бактерицидных и органических загрязнителей воды, предварительно очищенной от механических загрязнений известными способами фильтрации.

В конструкции установки используются емкости для очищаемой и очищенной воды, центробежный насос для перекачивания воды, серийно выпускаемые ультрафиолетовые (УФ) стерилизаторы, трубопроводная арматура и шланги. Отличием полезной модели является то, что в донной части емкости очищаемой воды установлен мембранный диффузор-аэратор, соединенный с нагнетателем воздуха, а в очищаемую воду внесены частицы катализатора, например TiO₂, и применен мембранный фильтр с отбором очищенной воды из циркулирующего потока, при этом размер частиц катализатора больше размера пор фильтрующей перегородки мембранного фильтра. Для контроля и регулирования потоков воды используются манометры и вентили.

В режиме очистки вода циркулирует через каскад последовательно включенных УФ-стерилизаторов и возвращается в емкость очищаемой воды, после очистки от органических загрязнителей вода направляется в мембранный фильтр с отбором очищенной воды из циркулирующего потока, которая сливается в емкость очищенной воды.

Конструкция установки простая в изготовлении, практически все ее комплектующие являются серийно изготавливаемыми изделиями.

(картинка)

Полезная модель относится к области очистки воды от вредных примесей, которыми часто являются органические вещества, от вредоносных микроорганизмов, для удаления нежелательных запахов и т.п. Для очистки воды от бактерицидных загрязнений, давно и успешно используются лампы с ультрафиолетовым (УФ-) излучением. УФ-стерилизаторы предназначены для обеззараживания питьевой воды, воды в бассейнах, воды в пищевых производствах, морской и технической воды. Это оборудование серийно выпускается как зарубежными, так и отечественными производителями, например компанией ООО "Промышленные системы УФ-обеззараживания" (Санкт-Петербург).

Основными элементами УФ-стерилизатора является корпус с патрубками для входа и выхода воды, в котором установлена одна или несколько кварцевых трубок с вставленными в них УФ-лампами. Очищаемая вода из предусмотренной для нее емкости через УФ-стерилизатор перекачивается центробежным насосом в емкость для обеззараженной воды. Для крепления элементов очистных установок обычно применяют изготовленные из металлопроката рамные конструкции.

Для удаления растворимых в воде загрязнений органического происхождения (аминокислот, фенолов, гликолей и т.п.) могут использоваться процессы фотокатализа, основанные на способности катализаторов активироваться под действием света или ультрафиолетового излучения и ускорять различные реакции, в частности окисление органических веществ кислородом до воды и углекислого газа. Наиболее часто в качестве катализатора используют диоксид титана TiO₂ в суспендированном состоянии, или закрепленном на инертном носителе. В первом случае обеспечивается большая площадь освещаемой поверхности частиц катализатора, но требуется дополнительная стадия отделения катализатора на мембранных фильтрационных устройствах для возвращения частиц катализатора в процесс.

При оптической накачке зерен фотокатализатора происходит генерация в объеме полупроводника, которым является TiO₂, электрон-дырочных пар, с последующей диффузией этих химически активных частиц на поверхность зерен, контактирующих с водой. При выходе на поверхность электрон-дырочные пары взаимодействуют с молекулами загрязнителей, рождая последовательность реакций окисления, что обеспечивает интенсивный процесс разрушения молекул и очистки воды.

Известен фотокаталитический модуль для очистки воды по патенту РФ №2394772, который содержит пористый фотокаталитический реактор в форме цилиндра, выполненного из кварца, стекла, керамики или стеклокерамики, на поверхность которого нанесен нанокристаллический диоксид титана, и источник ультрафиолетового излучения. Вода забирается насосом из емкости и подается на пористый реактор. Стекая по нему вниз обратно в емкость, вода подвергается воздействию освещаемого УФ-лампой катализатора.

К недостаткам такого устройства можно отнести сложность изготовление пористого реактора, неравномерность освещения, поскольку напрямую освещается только внутренняя поверхность цилиндра, остальные слои спеченных (склеенных) шариков затеняются предыдущими слоями. Очевидно, что часть частиц катализатора может осыпаться и попадать в очищенную воду, тем самым загрязняя ее.

Известен фотокаталитический реактор [Бюллетень ЕАПО (21)200900592, авторы Фостер Нейл Роберт (GB), Бассити Курош (FR), Дементьев В.Н. (RU)]. Реактор выполнен в виде вертикально расположенной трубы с патрубками для подвода и отвода очищаемой жидкости и соосно расположенной лампой, к стенкам которой примыкают расположенные в разных ярусах перфорированные элементы. В перфорированных элементах поднимающимся потоком пузырьков воздуха поддерживаются во взвешенном состоянии множество подвижных частиц фотокатализатора, размер и плотность которых таковы, что при работе реактора они остаются на перфорированном элементе. В верхней части реактора скапливается воздух аэрации и газовая фракция продуктов реакции. Для выпуска газов из реактора предусмотрен специальный клапан. Фотокаталитический реактор с использованием диоксида титана может быть применен для очистки сточных вод.

Недостатком данного устройства является то, что при его использовании необходимо поддерживать точный баланс активности потока подаваемой для очистки воды в реактор и потока воздуха, подаваемого для барбатажа воды и удержания частиц во взвешенном состоянии в перфорированных элементах. При невыполнении этого условия частицы или будут придавливаться к сетке (мембране), плохо освещаться и минимально участвовать в фотокаталитических реакциях, или выбрасываться за пределы перфорированных элементов, что приводит к выбыванию частиц катализатора из процесса и загрязнение очищенной воды частицами катализатора.

Задачей предлагаемого технического решения является создание простой по конструкции установки для очистки от бактерицидных и органических загрязнителей воды, предварительно очищенной от механических загрязнений известными способами фильтрации. При этом в конструкции установки можно применять доступное для использования серийно выпускаемое оборудование.

Предлагаемая установка показана на фиг. 1.

На сваренной из металлопроката стандартных профилей раме 1 установлен центробежный насос с электроприводом 2. Линия всасывания насоса посредством патрубка и шланга соединена с емкостью очищаемой воды 3, в донной части которой установлен мембранный диффузор-аэратор 4, соединенный шлангом с нагнетателем воздуха 5. Выше уровня мембраны в стенке емкости имеется патрубок, соединенный с линией всасывания центробежного насоса. Рядом располагается емкость очищенной воды 6. Выше емкостей расположен каскад, например, из трех вертикально расположенных УФ-стерилизаторов 7 (на рисунке представлены в реальных геометрических пропорциях стерилизаторы ОДВ-5-1.). На нижний патрубок УФ-стерилизатора навинчен резьбовой уголок 8, через который посредством шланга производится соединение первого УФ-стерилизатора с линией нагнетания центробежного насоса. Аналогично верхний патрубок первого УФ-стерилизатора соединяется с нижним патрубком второго УФ-стерилизатора. Также производится присоединение последнего в каскаде УФ-стерилизатора, верхний патрубок которого соединен с трехходовым краном 9. Одна линия крана соединена шлангами через тройник 12 с патрубком в верхней части емкости очищаемой воды, а другая линия соединена с входным патрубком мембранного фильтра с отбором очищенной воды из циркулирующего потока 10 (например, керамические фильтры Metawater, КМФ-0,7, КМФ-1,4 - производитель «НТЦ-ВОДА», АкваКОН-0,15 - ООО «Бинакор-ХТ»). Центральный выходной патрубок мембранного фильтра шлангами через нагрузочный вентиль 11 и тройник 12 также соединен с верхним патрубком емкости очищаемой воды. Боковой выходной патрубок мембранного фильтра через вентиль 13 и шланг соединен с емкостью для очищенной воды. Элементы установки крепятся на раме.

В очищаемой воде находятся в мелкодисперсном состоянии частицы катализатора, например диоксида титана, размер которых больше размера пор фильтрующей перегородки мембранного фильтра.

Между выходными патрубками мембранного фильтра и соответственно соединяемыми с ними вентилями установлены манометры 14 и 15, позволяющие контролировать задаваемый вентилями перепад давления воды в фильтре до и после фильтрующей перегородки мембранного фильтра. Аппараты управления насосным агрегатом, нагнетателем воздуха в аэратор и лампами УФ-стерилизаторов смонтированы на пульте управления 16.

Мембранный фильтр с отбором очищенной воды из циркулирующего потока 10 установлен на раме 1 под углом к горизонту таким образом, чтобы обеспечивать максимально полное его опорожнение, то есть слив находящейся в нем воды в режиме, когда фильтр не используется.

Функционирует установка фотокаталитической очистки воды следующим образом. В емкость 3 заливают очищаемую воду (технические средства заливания воды на фиг. 1 не показаны), вентили 11 и 13 полностью закрывают, трехходовой кран 9 переводят в положение слива воды в емкость 3. После этого включают УФ-лампы, нагнетатель воздуха и центробежный насос для перекачивания воды. После начала циркуляции воды в емкость 3 вливают приготовленную водную суспензию порошка катализатора, который потоком сливаемой в емкость воды и поднимающимися пузырьками воздуха перемешивается во всем объеме емкости. Насыщение очищаемой воды воздухом также необходимо для активации процессов окисления органических загрязнителей частицами катализатора под действием УФ-излучений.

Подаваемый центробежным насосом к УФ-стерилизаторам поток воды, проходя через резьбовой уголок 8, делает резкий поворот на 90° и упирается в стенку кварцевой трубки, что сопровождается созданием активного турбулентного течения воды, поднимающейся в кольцевом сечении к выходному отверстию УФ-стерилизатора. Частицы катализатора, имеющие удельный вес больше удельного веса воды, под действием гравитации и сил инерции, возникающих при криволинейном движении частиц вместе с турбулентными завихрениями потоков воды, постоянно перемещаются относительно воды, сталкиваясь с молекулами органических загрязнений. При этом активированные УФ-излучениями частицы катализатора разрушают органические загрязнения, преобразую их в углекислый газ и воду. Поскольку объем образующегося газа за один проход воды через стерилизатор небольшой, то в растворенном в воде состоянии газ выносится в емкость 3, где он выделяется в атмосферу.

Следует отметить, что каскад из нескольких последовательно включенных относительно коротких УФ-стерилизаторов работает более эффективно, чем один УФ-стерилизатор той же суммарной длины, поскольку турболизация потока воды возобновляется в каждом стерилизаторе каскада.

По мере циркуляции воды через УФ-стерилизаторы концентрация органических загрязнений уменьшается. При достижении нормативных значений концентрации открывают вентиль 11 и переводят кран 9 в положение подачи воды в мембранный фильтр 10. После этого плавно открывают вентиль 13, наблюдая за показаниями манометров 14 и 15, создавая перепад давлений не более значения, указанного в технических характеристиках мембранного фильтра, - давления, которое выдерживает фильтрующая перегородка (мембрана) без ее повреждения. В таком режиме работы установки частицы катализатора вместе с водой сливаются в емкость 3, а очищенная вода сливается в емкость 6.

После заполнения емкости 6 закрывают вентиль 13, а кран 9 переключают в положение слива воды в емкость 3, и производится заполнение емкости следующей порцией очищаемой воды. Поскольку частицы катализатора остались в системе, добавление их не требуется.

Для определения времени одного цикла очистки воды в ходе процесса из емкости 3 берут для анализа пробы воды. При стабильном по составу загрязнений состоянии воды установка может работать в автоматическом режиме, для чего она должна быть оборудована автоматически действующими исполнительными механизмами управления вентилями, трехходовым краном, устройствами заполнения емкости очищаемой воды и слива очищенной воды.

Профилактическое обслуживание установки сводится к периодическому контролю работы УФ-ламп, промывке кварцевых трубок раствором щавелевой кислоты и очистке мембраны фильтра обратным потоком чистой воды. При необходимости в емкость очищаемой воды установки добавляют катализатор.

Таким образом, заявляемая полезная модель решает поставленные задачи и эффективно удаляет бактерицидные и органические загрязнения воды, прошедшей предварительную очистку известными методами фильтрации от механических частиц. Конструкция установки простая в изготовлении, практически все ее комплектующие являются серийно изготавливаемыми изделиями.

Формула полезной модели

1. Установка фотокаталитической очистки воды, содержащая центробежный насос с электроприводом, емкость очищаемой воды и емкость очищенной воды, ультрафиолетовые стерилизаторы, трубопроводую арматуру, шланги и раму, на которой крепятся элементы установки, отличающаяся тем, что в донной части емкости очищаемой воды установлен мембранный диффузор-аэратор, соединенный с нагнетателем воздуха, а выше уровня мембраны в стенке емкости имеется патрубок, соединенный с линией всасывания центробежного насоса, линия нагнетания которого связана с входом первого из каскада последовательно включенных ультрафиолетовых стерилизаторов, выход которого соединен с входом последующего стерилизатора, при этом выход последнего в каскаде стерилизатора соединен с трехходовым краном, одна линия которого соединена с патрубком в верхней части емкости очищаемой воды, а вторая линия с входным патрубком мембранного фильтра с отбором очищенной воды из циркулирующего потока, центральный выходной патрубок которого через нагрузочный вентиль и шланг также соединен с верхним патрубком емкости очищаемой воды, в то время как боковой выходной патрубок мембранного фильтра через вентиль и шланг соединен с емкостью для очищенной воды.

2. Установка фотокаталитической очистки воды по п. 1, отличающаяся тем, что в очищаемой воде находятся в мелкодисперсном состоянии частицы катализатора, например диоксида титана, размер которых больше пор фильтрующей перегородки мембранного фильтра.

3. Установка фотокаталитической очистки воды по п. 1, отличающаяся тем, что между выходными патрубками мембранного фильтра и соответственно соединяемыми с ними вентилями установлены манометры для контроля задаваемого вентилями перепада давления воды до и после фильтрующей перегородки мембранного фильтра.

4. Установка фотокаталитической очистки воды по п. 1, отличающаяся тем, что мембранный фильтр с отбором очищенной воды из циркулирующего потока установлен под углом к горизонту таким образом, чтобы обеспечивать максимально полное его опорожнение, то есть слив находящейся в нем воды в режиме, когда фильтр не используется.

(картинка)

ИЗВЕЩЕНИЯ

MM9K Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 21.03.2021

Дата внесения записи в Государственный реестр: 11.11.2021

Дата публикации и номер бюллетеня: 11.11.2021 Бюл. №32

NF9K Восстановление действия патента

Дата, с которой действие патента восстановлено: 06.12.2022

Дата внесения записи в Государственный реестр: 06.12.2022

Дата публикации и номер бюллетеня: 06.12.2022 Бюл. №34