Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к способам очистки жидкости от примесей, в частности воды, спиртов, масел и др.

Очистка жидкости от примесей в настоящее время проводится методами дистилляции, обратного осмоса, электролиза, вымораживания и ионного обмена. Однако каждый из этих методов обладает недостатками, связанными с образованием накипи, заменой мембран и др. [Опреснение морской воды http://watergroup.ru/26-opresnenie-morskojj-vody.html.]

Известен способ очистки жидкостей и устройство для его осуществления - Дистиллятор Мельникова по патенту РФ №2264247, в котором осуществляется дистилляция жидкости в режиме ламинарного испарения и последующей конденсации пара, при этом активность испарения и конденсации паров очищенной жидкости осуществляется регулированием температуры и давления в герметичной системе. Недостатком известного способа является то, что в процессе кипения происходит и испарение легколетучих примесей и конденсированной жидкости, не обеспечивается необходимая чистота.

Известен способ очистки жидкостей от ферромагнитных частиц патент РФ №2164822 - способ очистки жидкостей от ферромагнитных частиц посредством прохождения очищаемой жидкости последовательно через магнитные стержни, расположенные на нескольких зигзагообразных частях бесконечной ветви магнитного цепного сепаратора, а в промежутках между зигзагообразными частями ветви магнитного сепаратора осуществляют регенерацию магнитных стержней от ферромагнитных механических примесей. Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает очистку жидкости от неферромагнитных примесей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ разделения жидких гетерогенных систем и устройство для его осуществления по патенту РФ №2077955. Способ разделения жидких гетерогенных систем заключается в пропускании жидкости через фильтрующий материал, помещенный в знакопостоянное электрическое поле с напряженностью не менее 1В/см. Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает эффективную очистку жидкости от гетерогенных и растворенных примесей и не достигается необходимая чистота.

Задача изобретения - повышение эффективности очистки жидкостей с наименьшими энергозатратами.

Задача в способе очистки жидкости решается тем, что через сосуд с жидкостью пропускают постоянный электрический ток, сосуд с жидкостью помещают в скрещенные постоянное магнитное и электрическое поля, причем силовые линии магнитного поля направлены вертикально, а электрический ток пропускают через жидкость перпендикулярно направлению магнитного поля от центра сосуда к периферии в нижней части сосуда, отношение объема очищаемой жидкости к напряженности магнитного поля должно быть в пределах от 0,002-0,1 (л∗м)/кА. Через верхний патрубок с краном в сосуд напускают очищаемую жидкость и включают источник питания, повышают напряжение до тех пор, пока жидкость не достигнет оптимальной скорости вращения для определенного состава жидкости. После этого открывают кран для отвода загрязненной жидкости.

В магнитном и электрическом полях на заряженную частицу действует сила Лоренца F_Л перпендикулярно направлению движения заряженной частицы q по закону F_Л=qυBsiα, где α - угол между направлением вектора магнитной индукции и вектора скорости движения заряженной частицы υ.

Под действием этой силы жидкость, помещенная во взаимно перпендикулярных магнитном и электрическом полях, приводится во вращательное движение. При постоянной величине пропускаемого тока через жидкость линейная скорость υ движения жидкости постоянна

а угловая скорость вращения от центра к периферии сосуда уменьшается, υ=ωr, т.е. появляется градиент скорости в тангенциальном направлении, так как угловая скорость обратно пропорциональна радиусу вращения

Также возникает градиент скорости и в вертикальном направлении, так как постоянный ток через жидкость пропускают в нижней части сосуда. Эти потоки создают перепад давления от периферии к центру из верхней части в нижнюю часть жидкости в сосуде. В результате растворенные, нейтральные и ионизованные примеси, содержащиеся в жидкости, собираются в нижней части в центре сосуда.

Итак, в результате указанных действий на частицу или на растворенные в жидкости примеси, имеющие плотности, отличные от очищаемой жидкости, действует несколько сил: сила Лоренца, сила тяжести, сила Архимеда, центробежная и центростремительная силы. Результирующая всех этих сил направлена в нижнюю часть центра сосуда, так как кольцевой электрод расположен в нижней части сосуда и жидкость имеет наибольшую скорость раскручивания именно в этой части. Поэтому примеси и растворенные примеси, содержащиеся в жидкости, собираются в этой части сосуда. С помощью отводящего клапана оттесненную таким образом жидкость с примесями выпускают по нижнему патрубку в сосуд для отвода примесей. Очищенную жидкость выпускают по верхнему патрубку. Одновременно производят напуск очищаемой жидкости в сосуд и процесс протекает непрерывно.

Для качественного описания процесса очистки нами была решена задача [Кармокова Р.Ю., Рехвиашвили С.Ш., Кармоков A.M. Теоретическая модель и экспериментальная установка для очистки жидкости. Материалы республиканской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Перспективные инновационные проекты молодых ученых КБР, стр. 208-212] и выведены следующие уравнения движения отдельной заряженной частицы в вязкой жидкости под действием электромагнитного поля:

где q и m - заряд и масса частицы, E_z - нормальная компонента электрического поля, ω - циклотронная частота, В - магнитная индукция, g - ускорение свободного падения, a - радиус частицы примеси, η - коэффициент вязкости, Δρ - разность плотностей вещества примеси и очищаемой жидкости, ν₀ - некоторая начальная скорость движения примеси в направлении, перпендикулярном магнитному полю.

При малой вязкости и t→∞ выражения (3) и (4) перепишутся в виде

Таким образом, определяем, что заряженная примесь в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, будет вращаться по окружности с частотой ω=qB/m и, кроме того, смещаться вниз к электродам по линейному закону (7), т.е. пропорциональна магнитной индукции и заряду.

В общем случае рассмотренная задача является нелинейной, так как смещение примеси к электродам приводит к увеличению потребляемого тока. Но это увеличение будет происходить до тех пор, пока вся имеющаяся примесь не сконцентрируется вблизи электродов при максимальном токе. При этом можно считать, что очистка жидкости в верхней части резервуара уже завершена. Экспериментальным путем установлено, что необходимо соблюдать отношение объема очищаемой жидкости к напряженности магнитного поля в пределах от 0,002-0,1 (л∗м)/кА.

Пример 1. Скрещенными электрическим и магнитным полями воздействовали на воду с взвешенными частицами. Напряженность магнитного поля составляла 50 кА/м, электрический ток в пределах от 250 мкА, напряжение, подаваемое на электроды, составляло 150 В. Объем очищаемой воды составлял 3 л. В результате воздействия в течение 10 мин сопротивление воды увеличивается. Кроме того, для сравнения оптических свойств жидкостей проводились измерения коэффициента пропускания неочищенной и очищенной жидкостей на спектрофотометре СФ-26 в диапазоне длин волн от 200 до 1100 нм в трех областях: ультрафиолетовой (УФ), видимой (Вид), инфракрасной (ИК). Полученные результаты очистки представлены в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициенты пропускания (%) и удельное сопротивление (кOм∗м) воды с взвешенными частицами

Пример 2. Воздействие магнитным и электрическим полями проводилось на водопроводную и грунтовую воду при напряженности магнитного поля 50 А/м, напряжении электрического поля 150 В при токе нагрузки 120 мкА в течение 15 мин.

Результаты исследования элементного состава (масс.%) полученных образцов приведены в таблице 2.

Пример 3. Воздействие магнитным и электрическим полями проводилось на растворы морской соли, концентрация солей в которых составляла 2,5; 3,5 и 5% по массе при напряженности магнитного поля 50 А/м, напряжении электрического поля 150 В при токе нагрузки 200 мкА в течение 15 мин.

Результаты исследования элементного состава полученных образцов (масс.%) приведены в таблице 3.

Пример 4. При исследовании воздействия магнитного и электрического полей на 10%-ный раствор медного купороса напряженность магнитного поля составляла 50 А/м, напряжение электрического поля 150 В при токе нагрузке 150 мкА. На раствор воздействовали в течение 5, 10 и 15 мин.

Результаты исследования элементного состава (масс.%) и коэффициентов пропускания (%) полученных образцов приведены в таблице 4 и 5 соответственно.

Пример 5. При исследовании воздействия магнитного и электрического полей на дизельное топливо и бензин марки АИ - 76 напряженность магнитного поля составляла 50 А/м, напряжение электрического поля 60 В при токе нагрузке 200 нА в течение 20 мин.

Элементный состав и значения коэффициентов пропускания полученных образцов приведены в таблице 6 и 7 соответственно.

Таким образом, предложенный способ очистки жидкости путем обработки в пересекающихся (перпендикулярных) электрическом и магнитном полях позволяет повысить эффективность очистки при снижении энергозатрат, дает преимущества предложенного способа и обеспечивает существенное отличие от известных технических решений.

Предлагаемый способ при максимальном потреблении электрической мощности в 1 Вт позволяет очистить 75 л жидкости, а по прототипу при тех же условиях - 1,5 л, т.е. энергозатраты снижаются в 50 и более раз.