Результат интеллектуальной деятельности: Способ кондиционирования водных растворов

Способ относится к области водоподготовки и может, в частности, использоваться для кондиционирования воды и водных растворов с применением широкополосных гидроакустических источников колебаний.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что рабочая емкость заполняется водой или водным раствором, подвергается воздействию акустического поля, обеспечивающего кавитацию при пороговом значении звукового давления с попеременной подачей воздуха в резонаторные камеры излучателя для диспергирования образующихся пузырьков воздуха с характерным размером 200-300 мкм, при этом струя из выходного сопла излучателя меняет свое направление с периодичностью (0,3÷0,4) с, отклоняясь от вертикальной оси выходного сопла на 30°.

Известен способ опреснения воды комбинированным воздействием магнитного поля и ультразвука с частотой ≤100 кГц (Клейменов Э.В., Пащенко В.М., Мишина Т.О. Способ опреснения воды. Патент РФ №2120415, 1997 г.). При такой обработке внутренняя поверхность магнитов быстро покрывается солевыми отложениями, снижающими магнитную проницаемость, что приводит к снижению эффективности обработки.

Известен способ подготовки питьевой воды ультразвуком с интенсивностью (1÷70)⋅10⁴ Вт/м², создаваемым гидродинамическим генератором и одновременно подаваемым кислородсодержащим газом (Терехин В.П., Котляров Д.Ю. Способ подготовки питьевой воды. Патент РФ №2333156, 2008 г.). Способ трудновоспроизводим, поскольку метрологически завуалирован. Интенсивность, по определению, есть количество энергии, переносимое волной за единицу времени через единичную площадку перпендикулярную к направлению ее распространения. Интенсивность волны пропорциональна квадрату амплитуды колебаний частиц. Однако поле, создаваемое гидродинамическим генератором, характеризуется широким спектром частот и, соответственно, амплитуд колебаний частиц, поэтому параметр «интенсивность» весьма условно характеризует такое поле.

Известен также способ очистки сточных вод, включающий механическую очистку, физико-химическую очистку, отстаивание, биологическую очистку. При реализации упомянутого способа, физико-химическую очистку осуществляют посредством электрокоагуляции, совмещенной с периодическим воздействием ультразвуковыми колебаниями с частотой (20÷25) кГц и мощностью 3 Вт/см² (Систер В.Г., Киршанкова Е.В., Цедилин А.Н. Способ очистки и обеззараживания сточных вод. Патент РФ, №2328455, 2008 г.).

Недостатками вышеприведенных способов, кроме метрологических неточностей, являются:

- невысокая степень очистки воды, содержащей повышенную концентрацию трудноокисляемых веществ;

- высокие энергозатраты;

- необходимость утилизации образующихся отходов.

Известен способ обеззараживания и очистки воды от водорослей и взвешенных веществ, заключающийся в обработке воды в главном водном резервуаре излучением бегущих гидроакустических волн звукового диапазона частот, в первом отстойнике - излучением гидроакустических волн звукового и ультразвукового диапазона частот, во втором отстойнике - излучением стоячих гидроакустических волн звукового и ультразвукового диапазона частот, в третьем отстойнике - излучением стоячих гидроакустических волн звукового и ультразвукового диапазона частот, а также в дополнительном обеззараживании воды путем ее прохождения через системы естественной аэрации воды, при этом в качестве главного водного резервуара используют реку (Бахарев С.А. Способ очистки воды от водорослей и взвешенных веществ. Патент РФ №2381181, 2008). Способ сложен в реализации.

Известен способ обработки воды и водных растворов, включающий корректировку рН многократным поочередным снижением давления высоконапорной жидкости при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается, отличающийся тем, что рециркулируемую жидкость предварительно нагревают, после чего часть высоконапорной жидкости отбирают на фильтрацию, из оставшегося рециркуляционного потока отбирают скавитированную жидкость с повышением давления, охлаждают, выдерживают до схлопывания кавитационных пузырьков и осаждения образовавшихся твердых примесей, после чего возвращают стабилизированную жидкость в рециркуляционный поток низкого давления. (Зиберт Г.К., Запорожец Е.П., Способ обработки воды и водных растворов. Патент РФ №2240984, 2003 г.). Способ сложен в реализации и требует повышенных затрат энергии.

Известен способ очистки балластных вод, включающий в себя фильтрование, обеззараживание пероксидом водорода и ультразвуковой кавитацией, а также отработавшими газами ДВС или котлоагрегатов. Авторы изобретения сообщают, что при его реализации происходит комплексная очистка загрязненной воды по схеме: исходная вода предварительно освобождается от крупных фракций в самоочищающихся короткоцикловых фильтрах → смешивается с пероксидом водорода в струйном аппарате → обрабатывается ультразвуковой кавитацией → перекачивается в балластные танки или накопительные емкости, где хранится необходимое время, → перед сбросом в окружающую среду повторно доочищается путем смешения с выпускными газами ДВС или котлоагрегатов в струйном аппарате → вновь обрабатывается ультразвуковой кавитацией (Курников А.С., Мизгирев Д.С., Молочная Т.В., Валиулин С.Н. Способ очистки балластных вод. Патент РФ №2591965, 2015). Способ сложен в реализации, длителен по времени и не обеспечивает высокой степени очистки воды и водных растворов, в частности, за счет применения выхлопных газов ДВС.

Задачей настоящего изобретения является интенсификация и упрощение кондиционирования воды и водных растворов.

Поставленная задача решается последовательностью действий, включающих заполнение емкости водой или водным раствором через гидроакустический излучатель, обработкой водной среды в процессе заполнения емкости акустическим воздействием, создаваемым гидроакустическим излучателем, при пороговом значении звукового давления с попеременной подачей воздуха в резонаторы, обеспечивающей периодическое, с интервалом (0,3÷0,4) с, изменение направления струи на 30° по отношению к вертикальной оси излучателя. При этом в емкости с кондиционируемой водной средой имеет место образование и диспергирование пузырьков воздуха, характерный размер основной массы которых составляет (200÷300) мкм. При заявленном способе кондиционирования воды и водных растворов, подаваемых в емкость под давлением в 3 атм через входной патрубок гидроакустического излучателя, расположенного на дне емкости и направляющего струю жидкости вверх, эффективно удаляются газовые включения, и интенсифицируется процесс дегазации. Уменьшение размеров пузырьков до <200 мкм повышает длительность дегазации и снижает эффективность кондиционирования. При увеличении размеров пузырьков до значений >300 мкм степень дегазации падает и ухудшается качество водоподготовки.

В режиме изменения направления струи с периодичностью <0,3 с возникает неравномерность распределения пузырьков воздуха в объеме, ухудшающая эффективность процесса; при периодичности >0,4 с снижается эффективность дегазации.

Реализация изобретения осуществляется с использованием устройства, одна из возможных схем которого приведена на фиг. 1, где

1 - емкость;

2 - входной патрубок гидроакустического излучателя;

3 - резонансные камеры излучателя;

4 - электрический прерыватель воздуха;

5 - выходное сопло гидроакустического излучателя;

6 - направление акустической струи;

7 - направление акустической струи;

8 - трубопровод для слива кондиционированной воды или водного раствора;

9 - кран для регулировки скорости слива;

10 - трубопровод для слива жидкости;

11 - трубопровод для удаления газов;

Изобретение характеризуется примером, не имеющим, однако, ограничительного характера.

Пример

Исходную водную среду под давлением 3 атм подают в емкость (1) объемом 2,5 м³ через патрубок (2) гидродинамического излучателя производительностью 0,5 м³/час, установленного в дно емкости так, чтобы струя из его выходного сопла была направлена вверх, перпендикулярно дну емкости. Одновременно с подачей в излучатель воды включается электрический прерыватель воздуха (4), направляющий атмосферный воздух в резонансные камеры (3), поступающий в них за счет создающегося в этих камерах разрежения. При прохождении через излучатель исходной водной среды возникают акустические колебания с основной гармоникой, близкой к 4 кГц. На выходе гидродинамического излучателя (5) создается пульсирующее акустическое поле, с меняющимся вектором своего направления (6, 7) поочередно на 30° влево-вправо. Подаваемый воздух диспергируется на выходе сопла (5) с образованием пузырьков воздуха, основная масса которых имеет характерный размер 250 мкм. Потоки пузырьков воздуха отклоняются от перпендикуляра вместе с вектором направления акустического поля. Период попеременного отклонения потока составляет 0,35 с. В пузырьки воздуха в объеме кондиционируемой водной среды под воздействием знакопеременного давления диффундируют азотсодержащие газы, непрерывно удаляемые через трубопровод (11). Кондиционная среда непрерывно вытекает из рабочей емкости через трубопровод (8) потоком, регулируемым краном (9). После завершения процесса кондиционирования оставшаяся в емкости жидкость может быть удалена через трубопровод 10.

Химический анализ конечного продукта показал, что предлагаемый способ позволяет удалить из воды и водных растворов >70% азотсодержащих газов, сероводорода, неприятных запахов.

В результате проведенного анализа уровня техники кондиционирования воды и водных растворов в поле гидроакустических преобразователей с попеременно изменяющимся вектором направленности распространения акустического воздействия источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного устройства, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку предложенный способ обладает оригинальным комплексом свойств, обеспечивающих интенсификацию процессов кондиционирования воды и водных растворов. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, нет препятствий при его реализации с получением вышеуказанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Предлагаемый способ создает необходимое разнообразие, обеспечивая возможность оптимального выбора средств для решения конкретных задач, направленных на кондиционирование воды и водных растворов.