RU2178774C2

RU2178774C2 - Device for water treatment

Info

Publication number: RU2178774C2
Application number: RU2000101701/12A
Authority: RU
Inventors: О.Б. Ковальчук; Б.Г. Шубин
Original assignee: Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2002-01-27

Abstract

FIELD: devices for purification and disinfection of potable and service waters. SUBSTANCE: device has body with unit for preparation of water-air mixture, high-voltage and grounded electrodes located under unit, vessel for collection of treated water. Each electrode is made in the form of parallel conductors secured between two busbars. High-voltage and grounded electrodes are parallel and located one above the other. Conductors of one electrode are perpendicular to conductors of the other electrode. Supplied to electrodes are high-voltage pulses. Initiated between electrodes is discharge close to space discharge. Water is supplied to unit for preparation of water-air mixture under pressure of several atmospheres, flies out of unit in the form of finely divided drops to entrap air and mix with it, and gets in zone of pulse electric discharge. EFFECT: higher efficiency of water treatment and disinfection due to use of space-type discharge and high degree of water dispersion. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к устройствам подготовки воды с помощью высоковольтных импульсных разрядов для питьевого и технического водоснабжения. The invention relates to water treatment devices using high voltage pulse discharges for drinking and industrial water supply.

Известен реактор для очистки воды (патент РФ 2136600, МПК 6 C 02 F 1/46, 7/00, опубл. 10.09.09г. ). Реактор имеет корпус, в верхней части которого размещен узел создания водогазовой смеси, узел отвода водогазовой смеси, патрубки для подвода и вывода воды, а также электродную систему в виде двух гребенок, снабженных диэлектрическими барьерами, например, из керамики, стекол, кварцевых трубок и т. п. Обрабатываемая вода распыляется эжектором, смешивается с воздухом, попадает в аэратор, стекает по решеткам аэратора вниз, навстречу воздуху, и попадает в зону электродов. В зоне разрядов происходит обработка воды озоном, ультрафиолетовым излучением, активными частицами, возникающими при разряде между электродами. После обработки в зоне разряда вода поступает в камеру дореагирования, из которой с помощью эжектора через выходной патрубок подается на систему фильтрации. A known reactor for water purification (RF patent 2136600, IPC 6 C 02 F 1/46, 7/00, publ. 09/10/09). The reactor has a housing, in the upper part of which there is a gas-gas mixture creation unit, a water-gas mixture removal unit, nozzles for supplying and discharging water, and also an electrode system in the form of two combs equipped with dielectric barriers, for example, of ceramics, glass, quartz tubes, etc. n. The treated water is sprayed by the ejector, mixed with air, enters the aerator, flows down the aerator gratings down to meet the air, and enters the electrode zone. In the discharge zone, water is treated with ozone, ultraviolet radiation, active particles arising from the discharge between the electrodes. After treatment in the discharge zone, water enters the after-treatment chamber, from which it is fed to the filtration system through the outlet pipe using an ejector.

Недостатками данного способа являются низкая электрическая надежность диэлектрических барьеров, находящихся под полным импульсным напряжением, электрическая эрозия диэлектрических барьеров и высокие энергозатраты из-за необходимости создания встречного воде потока воздуха (с помощью вентилятора). The disadvantages of this method are the low electrical reliability of dielectric barriers under full impulse voltage, the electrical erosion of dielectric barriers and high energy costs due to the need to create an oncoming water air stream (using a fan).

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является устройство для очистки и обеззараживания воды (патент РФ 2136601 МПК 6 С 02 F 1/46, опубл. 10.09.99г. ), которое содержит корпус, расположенные в нем высоковольтный и заземленный электроды, выполненные в виде объемной решетки, причем высоковольтный электрод расположен между заземленным. Closest to the proposed solution in technical essence is a device for cleaning and disinfecting water (RF patent 2136601 IPC 6 C 02 F 1/46, publ. 10.09.99), which contains a housing located in it high-voltage and grounded electrodes made in in the form of a volumetric grating, and the high-voltage electrode is located between the ground plane.

Недостатками известного устройства являются низкая эффективность обработки воды из-за того, что разряд в этой электродной системе может существовать в коронной форме. Известно, что коронный разряд уступает по эффективности наработки озона барьерному и объемному типам разрядов. Кроме того, в этой электродной системе из-за образования на электродах крупных капель имеется и искровая форма разряда, резко снижающая эффективность обработки воды. The disadvantages of the known device are the low efficiency of water treatment due to the fact that the discharge in this electrode system can exist in corona form. It is known that the corona discharge is inferior in efficiency to the production of ozone to the barrier and volume types of discharges. In addition, in this electrode system, due to the formation of large droplets on the electrodes, there is also a spark discharge form, which sharply reduces the efficiency of water treatment.

Основной технической задачей предлагаемого технического решения является улучшение качества воды за счет повышения эффективности обработки. Эффективность обработки достигается за счет обработки воды разрядами, близкими к объемным. Объемный тип разряда характеризуется практически одинаковой плотностью тока по его объему, в то время как коронный разряд отличается весьма высокой плотностью тока вблизи электрода и очень низкой плотностью тока вдали от него. По этой причине в перегруженной по току области коронного разряда низка наработка озона из-за перегрева среды, а в областях с низкой плотностью тока эффективность обработки воды (наработки озона) мала из-за низкой плотности энергии. При равных энергетических параметрах и равных объемах коронного и объемного разрядов эффективность обработки воды с помощью объемного разряда примерно на порядок выше. Кроме того, эффективность предлагаемого решения достигается за счет обработки водовоздушной смеси высокой дисперсности, размер водяных капель в которой не превышает 1 мм. При этом за счет большой площади водяных капель увеличивается растворимость в воде кислорода и озона, т. е. увеличивается в 1,5-2 раза эффективность использования наработанного в разрядах озона. The main technical objective of the proposed technical solution is to improve water quality by increasing the efficiency of processing. Processing efficiency is achieved by treating water with discharges close to volumetric. The volume type of discharge is characterized by almost the same current density in its volume, while the corona discharge has a very high current density near the electrode and a very low current density far from it. For this reason, ozone production is low in the overloaded current region of the corona discharge due to overheating of the medium, and in areas with a low current density the efficiency of water treatment (ozone production) is low due to the low energy density. With equal energy parameters and equal volumes of corona and volume discharges, the efficiency of water treatment using a volume discharge is approximately an order of magnitude higher. In addition, the effectiveness of the proposed solution is achieved by processing the water-air mixture of high dispersion, the size of the water droplets in which does not exceed 1 mm. Moreover, due to the large area of water droplets, the solubility of oxygen and ozone in water increases, i.e., the efficiency of using the ozone accumulated in discharges increases by a factor of 1.5-2.

Указанная техническая задача достигается тем, что в устройстве для обработки воды с помощью высоковольтных импульсных разрядов, включающем в себя корпус, в верхней части которого размещен узел создания водовоздушной смеси, под которым расположены высоковольтный и заземленные электроды, а также емкость для сбора обработанной воды, согласно предложенному решению каждый из электродов выполнен в виде параллельных проводников, закрепленных между двумя шинами, причем высоковольтный и заземленный электроды расположены параллельно друг над другом, а проводники одного электрода перпендикулярны проводникам другого электрода. The specified technical problem is achieved by the fact that in the device for water treatment using high-voltage pulse discharges, which includes a housing, in the upper part of which there is a unit for creating an air-water mixture, under which there are high-voltage and grounded electrodes, as well as a container for collecting treated water, according to the proposed solution, each of the electrodes is made in the form of parallel conductors fixed between two buses, and the high-voltage and grounded electrodes are parallel to each other the other, and the conductors of one electrode are perpendicular to the conductors of the other electrode.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественные всем признакам заявляемого устройства для обработки воды, отсутствуют. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень". The analysis of the prior art by the applicant made it possible to establish that there are no analogs characterized by sets of features that are identical to all the features of the claimed water treatment device. Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "inventive step".

На фиг. 1 изображено устройство для очистки воды, на фиг. 2 - разрез А-А. Устройство состоит из корпуса 1, в верхней части которого размещен узел создания водовоздушной смеси, состоящий из форсунки 2, воздухозаборника 3 и конуса 4. Под конусом расположены заземленный 5 и высоковольтный 6 электроды. Электрод 5 выполнен из проводников, закрепленных параллельно между шинами 7, а параллельные проводники высоковольтного электрода 6 закреплены между шинами 8, установленными на изоляторах 9. Шины 7 соединены с заземленным корпусом 1, к одной из шин 8 подводится высокое напряжение через проходной изолятор 10. Обработанная вода накапливается в емкости 11 и подается на последующую обработку через патрубок 12. Отработанный воздух выходит из емкости 11 через патрубок 13. Генератор высоковольтных импульсов подключается к электродам 5 и 6 через корпус 1 и проходной изолятор 10. Расстояние между электродами 5 и 6, расстояние между параллельными проводниками в каждом из электродов 5 и 6 выбираются в зависимости от амплитуды напряжения высоковольтного импульса, скорости водовоздушного потока в зоне разряда между электродами 5 и 6 и диаметра проводников электродов 5 и 6. Диаметр проводников выбирается из условия его термической стойкости при разряде генератора на один проводник. Площадь электродов 5 и 6 выбирается из условия обеспечения оптимального энерговклада в разряд (~ 30-50 Дж/л), обеспечивающего максимального эффективность энергозатрат на производство озона. In FIG. 1 shows a device for water purification, FIG. 2 - section aa. The device consists of a housing 1, in the upper part of which there is a unit for creating a water-air mixture, consisting of a nozzle 2, an air intake 3 and a cone 4. Under the cone there are grounded 5 and high-voltage 6 electrodes. The electrode 5 is made of conductors fixed in parallel between the busbars 7, and the parallel conductors of the high-voltage electrode 6 are fixed between the busbars 8 installed on the insulators 9. The buses 7 are connected to a grounded housing 1, a high voltage is applied to one of the buses 8 through the bushing 10. Processed water accumulates in the tank 11 and is supplied for further processing through the pipe 12. The exhaust air leaves the tank 11 through the pipe 13. The high-voltage pulse generator is connected to the electrodes 5 and 6 through the housing 1 and bushing 10. The distance between the electrodes 5 and 6, the distance between the parallel conductors in each of the electrodes 5 and 6 are selected depending on the amplitude of the voltage of the high voltage pulse, the speed of the water-air flow in the discharge zone between the electrodes 5 and 6, and the diameter of the conductors of the electrodes 5 and 6. The diameter of the conductors is selected from the condition of its thermal stability when the generator is discharged onto one conductor. The area of electrodes 5 and 6 is selected from the condition of ensuring the optimal energy input into the discharge (~ 30-50 J / l), which ensures the maximum efficiency of energy consumption for ozone production.

В устройстве для очистки воды по предлагаемому способу обрабатывали воду, содержащую различные примеси. Электроды были изготовлены из проволоки диаметром 0,6 мм; каждый электрод содержал по 15 параллельных проводников. Расстояние между электродами - 150-20 мм, расстояние между параллельными проводниками - 10 мм. Мощность генератора высоковольтных импульсов на нагрузке 100 Ом - 250 Вт. Расход обрабатываемой воды до 2 м³/ч. Обработанная вода фильтровалась на напорный фильтр с кварцевой загрузкой.In the device for water purification according to the proposed method was treated with water containing various impurities. The electrodes were made of wire with a diameter of 0.6 mm; each electrode contained 15 parallel conductors. The distance between the electrodes is 150-20 mm, the distance between the parallel conductors is 10 mm. The power of the high-voltage pulse generator at a load of 100 ohms is 250 watts. The flow rate of treated water is up to 2 m ³ / h. The treated water was filtered on a pressure filter with quartz loading.

Устройство работает следующим образом. Вода, поступающая на обработку в форсунку 2 под давлением в несколько атмосфер, диспергируется на мелкие (размером 10^-1-1мм) капли, вылетающие из форсунки струей с корневым утлом θ. При этом поток капель воды засасывает из атмосферы воздух через отверстия в корпусе и воздухозаборник 3. Смесь водяных капель и воздуха пролетает конус 4 и попадает в разрядный промежуток между электродами 5 и 6. На электроды 5 и 6 подаются высоковольтные импульсы напряжения с амплитудой ~ 20-25 кВ, длительностью каждого импульса ~ 0,2-0,5 мкс и с частотой порядка 10³с^-1. Между проводниками электродов 5 и 6 загорается электрический импульсный разряд, близкий к объемному типу разряда, достаточно однородный по объему. Контрагированию объемного разряда, т. е. переходу его в искровую форму, препятствует поток воздуха и капель воды, интенсивное охлаждение проводников электродов 5 и 6 и достаточно малая длительность импульсов напряжения. В плазме разряда, между проводниками электродов 5 и 6 нарабатывается озон из кислорода воздуха, на границах водяных капель образуются радикалы ОН^-, перекись водорода, жесткое ультрафиолетовое излучение плазмы облучает капли воды. В водовоздушном потоке после прохождения им зоны разряда происходит достаточно быстрое и глубокое растворение озона в воде за счет большой поверхности водяных капель. Все это способствует глубокому окислению примесей, находящихся в воде, разложению многих органических соединений до СО₂ и Н₂0, обеззараживанию воды и приданию ей отличных органолептических качеств. Обработанная вода доокисляется в емкости 11 и подается через патрубок 12 на последующую обработку, например фильтрацию. Отработанный воздух через патрубок 13 сбрасывается через озоноразрушитель в атмосферу. В таблице приведены результаты анализов качества обработанной воды.The device operates as follows. Water entering the nozzle 2 for processing under a pressure of several atmospheres is dispersed into small (10 ^{-1 -1} mm) droplets that fly out of the nozzle with a jet with a root fracture θ. In this case, a stream of water droplets draws air from the atmosphere through openings in the housing and air intake 3. A mixture of water droplets and air flies through cone 4 and falls into the discharge gap between electrodes 5 and 6. High voltage voltage pulses with an amplitude of ~ 20- are applied to electrodes 5 and 6. 25 kV, each pulse duration ~ 0.2-0.5 μs and with a frequency of the order of 10 ³ s ^-1 . Between the conductors of the electrodes 5 and 6, an electrical impulse discharge lights up, close to the volume type of the discharge, fairly uniform in volume. The contraction of a volume discharge, i.e., its transition to a spark form, is prevented by the flow of air and water drops, intensive cooling of the conductors of electrodes 5 and 6, and a sufficiently short duration of voltage pulses. In the discharge plasma, between the conductors of electrodes 5 and 6, ozone is generated from atmospheric oxygen, OH ^- radicals are formed at the boundaries of water droplets, hydrogen peroxide, and hard ultraviolet radiation of the plasma irradiates water droplets. After passing through the discharge zone in a water-air stream, a rather rapid and deep dissolution of ozone in water occurs due to the large surface of water droplets. All this contributes to the deep oxidation of impurities in water, the decomposition of many organic compounds to CO ₂ and H ₂ 0, disinfection of water and giving it excellent organoleptic qualities. The treated water is oxidized in the tank 11 and is supplied through the pipe 12 for subsequent processing, for example, filtration. The exhaust air through the pipe 13 is discharged through the ozone depleter into the atmosphere. The table shows the results of the quality analyzes of treated water.

Из таблицы видно, что данное устройство позволяет существенно повысить эффективность обработки воды. The table shows that this device can significantly increase the efficiency of water treatment.

Claims

Устройство для обработки воды с помощью высоковольтных импульсных разрядов, включающее корпус, в верхней части которого размещен узел создания водовоздушной смеси, под которым расположены высоковольтный и заземленный электроды, а также емкость для сбора обработанной воды, отличающееся тем, что каждый из электродов выполнен в виде параллельных проводников, закрепленных между двумя шинами, причем высоковольтный и заземленный электроды расположены параллельно друг над другом, а проводники одного электрода перпендикулярны проводникам другого электрода. A device for treating water using high-voltage pulsed discharges, including a housing, in the upper part of which there is a unit for creating a water-air mixture, under which high-voltage and grounded electrodes are located, as well as a container for collecting treated water, characterized in that each of the electrodes is made in parallel conductors fixed between two buses, and the high-voltage and grounded electrodes are parallel to each other, and the conductors of one electrode are perpendicular to the conductors another electrode.