способ опреснения и/или деминерализации непроточной воды с помощью электродиализа и устройство для его осуществления

область техники

изобретение относится к области опреснения и/или деминерализации высокоминерализованной, среднеминерализованной и слабоминерализованной воды с помощью электродиализа, в частности, непроточной воды в стационарном режиме для получения воды различной степени очистки, в частности, дистиллята, питьевой или технической воды.

предшествующий уровень техники

проблема опреснения и/или деминерализации природной воды является весьма актуальной, и решается с помощью различных способов промышленного и бытового применения, в частности, с помощью электродиализа. при этом промышленные способы опреснения или деминерализации в основном предлагают многократную прокачку обрабатываемой воды через систему, содержащую множество ионоселелективных мембран, размещенных между анодом и катодом.

известно устройство электрического деминерализатора, в котором воду в проточном режиме пропускают последовательно через множество камер деминерализации, образованных с помощью катионселективных мембран и анионселективных мембран, установленных между положительным и отрицательным электродами так, чтобы они были расположены поочередно и соединены последовательно (JP, 3727585, в).

известно устройство электрического деминерализатора, в котором катионселективные и анионселективные мембраны расположены так, что образуют камеры концентрации и последовательно соединенные камеры деминерализации, а также камеру, содержащую анод, и камеру, содержащую катод. (JP, 3727586, в). обрабатываемую воду в проточном режиме пропускают через камеры минерализации после первичной обработки воды концентрат из ячейки, содержащей катод, подают в первую из последовательно соединенных камер деминерализации и таким образом эффективно обрабатывают воду, так как этот концентрат обладает щелочными свойствами.

также известно устройство электрического проточного деминерализатора, содержащего электрическую деионизирующую камеру, имеющую множество отсеков,

разделенных катионселективными и анионселективными мембранами, установленными между анодом и катодом (US, 2004188258, Al). анион- деионизирующий отсек ограничен катионселективными мембранами и размещен на стороне анода водоразделительной камеры, а катион-деионизирующий отсек ограничен катионселективными мембранами и размещен на стороне катода водоразделительной камеры.

все вышеприведенные известные устройства являются устройствами проточного типа и требуют организации прокачки обрабатываемой воды, а также отвода очищенной воды и извлекаемых примесей в канализационную систему в непрерывном режиме. эти системы являются сложными и дорогостоящими, поэтому предполагают использование только в промышленных масштабах.

известен наиболее близкий по технической сущности электродиализатор, в котором между анодом и катодом расположены ионоселективные мембраны, причем электродные камеры совмещены с камерами концентрирования извлекаемых примесей, а растворы обессоленной воды и концентрата отводятся с помощью трубок (гребенюк в.д. электро диализ. "техника", киев, 1976 г., c.81.). однако такая конструкция для использования в проточном режиме требует значительных затрат при невысокой степени очистки воды. для использования в режиме непроточной воды процесс обессоливания занимает значительное количество времени.

раскрытие изобретения

целью создания настоящего изобретения является создание экономичного способа обработки непроточной воды, обеспечивающего опреснение и/или деминерализацию воды до заданных параметров, и разработка устройства для опреснения и/или деминерализации воды, удобного и экономичного при эксплуатации в быту.

при создании изобретения была поставлена задача разработки способа обработки непроточной воды с помощью электродиализа, обеспечивающего повышенную скорость диализа за счет минимизации пути образующихся ионов и за счет конфигурации электрических полей, формируемых в зоне размещения обрабатываемой воды, обеспечивающей воздействие на воду полей наибольшей напряженности .

поставленная задача была решена созданием способа опреснения и/или деминерализации непроточной воды с помощью электродиализа, в котором в воде,

подлежащей обработке, размещают анод, катод и ионоселективные мембраны между ними, подают напряжение на электроды в течение времени, достаточного для достижения заданной степени очистки, а затем раздельно извлекают полученный целевой продукт и концентрат извлеченных примесей, в котором:

- в качестве ионоселективных мембран, размещенных между анодом и катодом, используют ионоселективные мембраны, попарно скрепленные между собой с образованием между ними внутренней полости, сообщенной с окружающей средой выше уровня воды, и размещенные на расстоянии одна пара от другой;

- в качестве анода и катода используют анод и катод, размещенные каждый между ионоселективными мембранами, скрепленными между собой с образованием между ними внутренней полости, сообщенной с окружающей средой выше уровня воды;

- электродиализ проводят до достижения заданного содержания солевых и минеральных примесей в воде, обеспечивая при этом стабильный уровень тока путем регулирования величины подаваемого напряжения.

при этом, согласно изобретению, возможно в качестве анода и катода использовать анод и катод, размещенные каждый между одинаковыми, соответственно, анионселективными или катионселективными мембранами.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в качестве ионоселективных мембран между анодом и катодом были использованы разноименные ионоселективные мембраны, попарно скрепленные между собой с образованием между ними внутренней полости, сообщенной с окружающей средой выше уровня воды.

кроме того, согласно изобретению, возможно, чтобы в качестве ионоселективных мембран, размещенных между указанным анодом и указанным катодом, были использованы чередующиеся попарно скрепленные между собой анионселективные мембраны и попарно скрепленные между собой катионселективные мембраны, во внутренних полостях, образованных указанными парами анионселективных или катионселективных мембран, дополнительно были размещены, соответственно, аноды или катоды, разноименные смежные ионоселективные мембраны были скреплены между собой с образованием между ними внутренней полости, сообщенной с окружающей средой выше уровня воды, а вода, подлежащая обработке, была размещена порциями, имеющими одинаковый уровень, во всех указанных внутренних полостях.

при этом, согласно изобретению, разумно при обработке воды с содержанием минеральных солей в диапазоне от 2,0 до 25 г/л проводить регулирование величины подводимого напряжения для поддержания тока в диапазоне от 1,0 до 5,0 а.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в этом случае водой, подвергаемой опреснению и/или деминерализации, являлась морская вода, вода артезианских скважин, озер, колодцев.

кроме того, согласно изобретению, разумно при обработке воды с содержанием минеральных солей до 2,0 г/л проводить регулирование величины подводимого напряжения для поддержания тока в диапазоне от 0,2 до 1 ,0 а.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы в этом случае водой, подвергаемой опреснению и/или деминерализации, являлась пресная природная, озерная, колодезная вода, питьевая вода системы городского водоснабжения.

кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы после извлечения целевого продукта и концентрата извлеченных примесей из внутренних полостей, образованных между ионоселективными мембранами, дополнительно осуществляли регенерацию катодов и катионселективных мембран путем орошения их порцией воды, подвергнутой электродиализу во внутренних полостях вокруг анода.

поставленная задача была также решена разработкой устройства для опреснения и/или деминерализации непроточной воды с помощью электродиализа, содержащего корпус, имеющий емкость для обрабатываемой воды, приспособленную для размещения в ней анода, катода и ионоселективных мембран между ними, и источник тока, отличающийся тем, что содержит устройство контроля содержания солевых примесей в воде, устройство регулирования подаваемого напряжения, устройство контроля уровня воды, при этом анод и катод размещены каждый во внутренних полостях, образованных скрепленными между собой соответствующими одноименными ионоселективными мембранами и сообщенных с внешней средой в их верхней части, а размещенные между анодом и катодом ионоселективные мембраны попарно скреплены между собой с образованием между ними внутренней полости, сообщенной с окружающей средой в верхней ее части.

при этом, согласно изобретению, целесообразно, чтобы между анодом и катодом были размещены попарно скрепленные между собой разноименные ионоселективные мембраны.

кроме того, согласно изобретению, целесообразно, чтобы между указанными анодом и катодом были размещены чередующиеся попарно скрепленные между собой анионселективные мембраны и попарно скрепленные между собой катионселективные мембраны, в образованных указанными парами мембран внутренних полостях дополнительно были размещены, соответственно, аноды или катоды, и разноименные смежные ионоселективные мембраны были скреплены между собой с образованием между ними внутренней полости, сообщенной с окружающей средой в верхней ее части.

при этом, согласно изобретению устройство опреснения и деминерализации приспособлено для регенерации путем орошения катодов и катионселективных мембран порцией воды, подвергнутой электродиализу во внутренних полостях вокруг анода. регенерацию осуществляют после извлечения деминерализованной воды и порции воды, подвергнутой электродиализу во внутренних полостях вокруг катода. орошение осуществляют по соединительному каналу при открытии клапана, перекрывающего этот канал.

краткое описание чертежей

в дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров осуществления способа опреснения и/или деминерализации непроточной воды согласно изобретению с помощью устройства для опреснения и/или деминерализации непроточной воды согласно изобретению и приведенными чертежами фиг.1 и фиг.2, на которых показаны схематично варианты выполнения устройства для опреснения и/или деминерализации воды согласно изобретению.

специалистам в области обработки воды должно быть ясно, что приведенные примеры и чертежи не ограничивают возможности осуществления изобретения и не выходят за рамки патентных притязаний.

наилучший вариант осуществления изобретения

способ опреснения и/или деминерализации непроточной воды согласно изобретению может быть осуществлен с помощью устройства для опреснения и/или деминерализации согласно изобретению.

на фиг.1,2 показаны варианты выполнения устройства для опреснения и/или минерализации непроточной воды согласно изобретению.

устройство (фиг.1,2) содержит корпус 1, имеющий емкость 2 для обрабатываемой воды, приспособленную для размещения в ней анода 3, катода 4 и ионоселективных мембран между ними, с крышкой 5.

устройство содержит источник 6 тока, устройство 7 регулирования подаваемого напряжения, устройство 8 контроля величины тока, устройство 9 контроля содержания солевых примесей, а также устройство 10 контроля уровня воды, которые могут быть выполнены любым известным образом. при этом в качестве источника 6 тока может быть использован любой известный источник постоянного тока, например сетевой напряжением 220 в. устройство 9 контроля содержания солевых примесей может быть выполнено, например, в виде потенциометра со шкалой и иметь ламповый индикатор. устройство 10 контроля уровня воды может быть, например, устройством поплавкового типа.

при этом, согласно одному из вариантов выполнения устройства, как показано на фиг.l, анод 3 может быть размещен во внутренней полости 11, образованной скрепленными между собой анионселективными мембранами 12 и сообщенной с внешней средой в ее верхней части, например, через отверстие 13. при этом катод 4 размещен во внутренней полости 14, образованной скрепленными между собой катионселективными мембранами 15 и сообщенной с внешней средой в их верхней части, например, через отверстие 16. сформированные таким образом анодная камера 17 и катодная камера 18 будут при обработке воды служить камерами концентрирования извлекаемых примесей.

согласно изобретению, в варианте выполнения устройства, показанном на фиг.l, в качестве ионоселективных мембран между анодом и катодом используют размещенные на расстоянии одна от другой анионселективные мембраны 19 и катионселективные мембраны 20, скрепленные между собой с образованием между ними внутренней полости 21, сообщенной с внешней средой в ее верхней части, например, через отверстие 22. количество таких пар мембран, формирующих камеры 23 концентрирования извлекаемых примесей, может быть выбрано с учетом степени минерализации воды, подлежащей обработке.

согласно изобретению, в другом варианте выполнения устройства, показанном на фиг.2, в качестве ионоселективных мембран между анодом и катодом используют установленные на расстоянии между ними чередующиеся катионселективные мембраны 24, попарно скрепленные между собой с образованием между ними

внутренней полости 25, сообщенной с окружающей средой в верхней ее части, например, через отверстия 26, и анионселективные мембраны 27, попарно скрепленные между собой с образованием между ними внутренней полости 28, сообщенной в верхней ее части с окружающей средой, например, через отверстия 29. при этом во внутренних полостях 25 и 28 установлены дополнительные электроды 30 и 31, и внутренние полости 25 и 28 служат камерами 32 концентрирования. согласно изобретению, смежные разноименные ионоселективные мембраны 24 и 27 также скреплены между собой аналогичным образом с образованием внутренних полостей 33, и при этом формируют камеры деминерализации 34. количество таких пар мембран, формирующих камеры 32 концентрирования извлекаемых примесей и камеры 34 деминерализации, может быть выбрано с учетом степени минерализации воды, подлежащей обработке.

при этом отверстия 13, 16, 22, 26, 29 должны быть расположены выше уровня воды в емкости 2 и в каждой из внутренних полостей 11, 14, 21, 25, 28 и 31.

кроме того, для обеспечения наиболее эффективной работы устройства при размещении воды в емкости 2 должен быть обеспечен исходный одинаковый уровень воды во всех камерах деминерализации и камерах концентрирования извлекаемых примесей, что обеспечивают заливаем воды через устройство, обеспечивающее подачу воды в каждую из камер с распределением ее между камерами, и контролируют с помощью устройства контроля уровня воды.

при этом система подачи и отвода воды может быть выполнена любым известным образом.

при этом формирование камер, закрепление электродов и скрепление мембран между собой может быть выполнено различным способом. на фиг.l и 2 показаны варианты формирования камер мембранами, анодами и катодами, предварительно закрепленными на крышке 5 и загружаемых в емкость 2, или закрепленными внутри емкости 2.

целесообразно, чтобы устройство было снабжено устройством защиты, отключающим источник тока при поднятии крышки 5 емкости 2.

наличие пакета ионоселективных мембран, обеспечивающих достаточное количество камер концентрирования, в зазорах между которыми находится очищаемая вода, приводит к эффективному проведению процесса электродиализа и повышению очистительной способности прибора.

способ опреснения и/или деминерализации непроточной воды осуществляют следующим образом.

в емкость 1 заливают воду, подлежащую опреснению и/или деминерализации, таким образом, чтобы она заполнила все камеры концентрирования, все камеры деминерализации, включая камеры с размещенными в них электродами до определенного уровня, контролируемого устройством 10 контроля уровня воды, а имеющиеся в этих камерах в верхней части отверстия не были покрыты водой. после заполнения емкости 2 электроды подключаются к источнику 6 тока и проводится процесс электродиализа, обеспечивающий опреснение (деминерализацию) воды до желаемого содержания примесей, отслеживаемого по показанию на панели устройства 9 контроля содержания солевых примесей, после чего электроды отключаются от источника тока 6. при этом в самой емкости в камерах деминерализации происходит деминерализация воды, а в камерах концентрирования накапливается концентрат извлекаемых примесей, причем в устройстве согласно изобретению при большом количестве камер концентрирования достигается повышенная степень очистки, обеспечивающая опреснение даже высокоминерализованной воды. затем из емкости извлекают очищенную от примесей воду, например, путем слива через верхние отверстия. вынимают электроды и мембраны из камер концентрации. камеры концентрации освобождаются от концентрата, например, путем открытия клапанов.

в дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных примеров его осуществления .

пример 1. в устройстве, показанном на фиг.2, полный объем емкости которого составлял 2,8 литра, производилась очистка слабоминерализованной воды с содержанием минеральных солей в диапазоне до 2,0 г/л. в устройстве было сформировано четыре камеры концентрации, содержащие катод, и три камеры концентрации, содержащие анод, и шесть камер деминерализации. каждый анод и катод, был размещен между, соответственно, анионселективными или катионселективными мембранами, скрепленными между собой с образованием между ними внутренней полости, сообщенной с окружающей средой выше уровня воды. в результате обработки получали 2,3 литра деминерализованной воды и 0,5 литра концентрата. результаты обработки воды с содержанием солей в воде равным lг/л приведены в таблице 1.

таблица 1

пример 2. в устройстве, полный объем которого составлял 1,5 литра, производилась очистка среднеминерализованной воды с содержанием минеральных примесей 2,0- 10 г/л. в устройстве использовались три камеры, содержащие катод и две камеры, содержащие анод и четыре камеры деминерализации. каждый анод и катод, был размещен между, соответственно, анионселективными или катионселективными мембранами, скрепленными между собой с образованием между ними внутренней полости, сообщенной с окружающей средой выше уровня воды. в результате обработки получали 0,75 литра деминерализованной воды и 0,75 литра концентрата. результаты обработки воды с содержанием солей равным 10 г/л и температуре исходной воды 20 ⁰ C приведены в таблице 2.

таблица 2.

пример 3. в устройстве, полный объем которого составлял 1,5 литра, также производилась очистка сильноминерализованной воды с содержанием минеральных солей более 20,0 г/л. в устройстве использовались три камеры, содержащие катод и две камеры, содержащие анод и четыре камеры деминерализации. в результате обработки получали 0,75 литра деминерализованной воды и 0,75 литра концентрата. результаты обработки воды с содержанием солей 20 г/л и температуре исходной воды 2O ⁰ C приведены в таблице 3.

таблица 3

таким образом, в результате обработки получена питьевая вода с низким содержанием солей (пример 1) и средним содержанием солей (примеры 2 и 3)

предложенный способ разработан для широкого применения. этот способ позволяет экономично получать питьевую воду из морской воды в регионах с дефицитом питьевой воды, производить очистку до необходимого уровня вод из различных источников: природных водоемов, скважин и колодцев. реализация данного способа в предложенном изобретении позволяет использовать емкости различных объемов и конфигурации.

промышленная применимость

промышленное производство устройств на базе предложенного способа не требует разработки новых технологий. производство таких устройств технологично и при выпуске их крупными партиями обладает достаточно низкой себестоимостью. емкости для предложенного устройства изготавливаются из хорошо известных и

широко разработанных материалов, например, пригодных для пищевых продуктов пластмасс.