Патент на изобретение №2344835

(54) СПОСОБ ОЧИСТКИ, ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ И ОБОГАЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ ИОНАМИ КИСЛОРОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Способ и устройство могут быть использованы в промышленности, сельском хозяйстве, коммунальном хозяйстве и других отраслях для очистки и обеззараживания жидкостей, в частности воды. Жидкость смешивают с воздухом, который предварительно ионизируют до концентрации отрицательных ионов кислорода не менее 2·10⁸ ионов/см посредством его ламинарной диффузии на высоте 1/3 от низа столба жидкости. Жидкость подают в обрабатываемый объем на уровне, ниже уровня подачи воздуха в жидкость, а отбирают на уровне, превышающем уровень подачи воздуха в жидкость на 1/3 столба жидкости. Из обрабатываемой жидкости удаляют коагулированные осадки. Устройство для осуществления способа включает последовательно соединенные воздушный компрессор, ресивер, камеру ионизации воздуха и соединенные параллельно с камерой ионизации резервуары, заполненные обрабатываемой жидкостью и снабженные патрубками для слива осадка. Камера ионизации выполнена из непроводящего материала, а в ее поперечном сечении установлены пластины с источниками альфа-частиц. За пластинами смонтированы поперек воздушного потока, по меньшей мере, два сетчатых электрода. Выход камеры ионизации соединен со всеми резервуарами параллельно, а резервуары соединены между собой последовательно. Изобретение позволяет повысить скорость и качество очистки и обеззараживания жидкостей при снижении энергозатрат. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 14 ил.

Предложение относится к очистке и обеззараживанию жидкостей, содержащих всевозможные примеси и микроорганизмы, путем обработки жидкостей отрицательными ионами кислорода воздуха с целью исключения применения электрических газоразрядных способов (коронного, тлеющего и др. разрядов), загрязняющих и заражающих жидкость вредными соединениями озона и окислов азота с насыщением жидкости металлами электродов, а также исключения применения химических, радиационных, ультрафиолетовых и инфракрасных озонаторов и термических методов обработки, методов пастеризации таких жидкостей, как вода, молоко, жидкие молочные продукты, соки, безалкогольные и слабоалкогольные напитки.

Предложение может быть использовано для окисления, коагуляции и удаления из жидкостей различных загрязняющих примесей с одновременным обеззараживанием жидкостей посредством уничтожения патогенных микроорганизмов, включая бактерии и их споры, грибы, вирусы и прионы, находящихся в обрабатываемой жидкости. Применение предложения позволит исключить использование большого количества токсических химических веществ, таких как хлорамин, полимерные химические коагулянты, чистый кислород, металлы электродов, например медь и марганец, и их окислы. Предложение может быть также использовано для насыщения жидкостей отрицательными ионами кислорода, например насыщения воды для подачи ее в поилки птиц и животных с целью увеличения ее энергетической ценности, повышения иммунитета, улучшения усвоения кормов и увеличения продуктивности птиц и животных.

Известен способ очистки воды путем воздействия на нее электрическими разрядами (RU 2005124906 [1], RU 2005124905 [2], RU 2005124904 [3], KR 20040055199 [4], А.с. 455731 [5], А.с. 459210 [6]), заключающийся в электролизе воды. Недостатками способов являются большой расход электроэнергии, низкая производительность способов вследствие обработки только того объема воды, который находится в межэлектродном пространстве, что исключает применение способов в промышленных масштабах, требуя многократной рециркуляции жидкости, а также низкая надежность и большая материалоемкость вследствие постепенного распыления металла электродов и необходимости их постоянной замены. Кроме того, газовые электрические разряды, имеющие целью распыления в воде материала электродов, приводят к постоянному увеличивает разрядного промежутка между электродами и требуют постоянной корректировки напряжения на электродах в сторону его увеличения.

Известен способ обработки жидкостей озоном и озоновоздушной смесью (RU 2116256 [7], RU 2005139958 [8], RU 2244690 [9] и др.), заключающиеся в насыщении воды озоном и озоновоздушной смесью и последующей очистке воды от озона. Недостатками способов являются повышенные энергозатраты при генерировании озона, сильная коррозия оборудования вследствие высокой окислительной способности озона и повышенная сложность технических решений вследствие необходимости очистки воды от ядовитых соединений, образованных в результате озонирования воды, перед подачей воды потребителю.

Известен способ водоподготовки с использованием ультрафиолетовых ламп (RU 2278830 [10], RU 2005128373 [11], RU 2288192 [12], RU 2003107702 [13] и др.), включающий обработку воды, по данным указанных патентов, ультрафиолетовым излучением в течение времени, достаточного для окисления содержащихся в обрабатываемой воде микроорганизмов и органических веществ до углекислого газа и воды. Основным недостатком способа является низкая производительность вследствие малой проникающей способности ультрафиолетового излучения в воде, т.к. ультрафиолетовый спектр излучения бактерицидных ламп с максимально эффективным излучением длиной волны 253.7 нм имеет энергию 4.43-6.20 эВ, что дает возможность проникновения только в поверхностную пленку воды. Таким образом, нет технического решения использования непосредственно ультрафиолетового излучения для обработки воды в промышленности. Поэтому обработка воды при применении ультрафиолетовых ламп происходит фактически вторичными продуктами излучения, такими как озон и окислы азота, использование которых недопустимо, в частности в питьевых жидкостях по требованиям санитарно-гигиенических норм. Это делает невозможным промышленное применение способа.

Известен способ обогащения воды кислородом (RU 2005138076 [14], ЕР 1767261 [15]), предусматривающий заполнение закрытого резервуара водой с формированием зоны свободного пространства над уровнем водяного столба, диффузию кислорода в виде маленьких тонких пузырьков в нижней части водяного столба в закрытом резервуаре и непрерывную циркуляцию кислорода от свободного пространства над уровнем водяного столба до нижней части водяного столба до тех пор, пока не будет достигнута требуемая концентрация растворенного в воде кислорода. Недостатками указанного способа и устройства является использование чистого кислорода, для генерирования которого необходимо затратить большое количество энергии, низкая эффективность очистки воды от примесей вследствие создания постоянной турбулентности крыльчаткой в резервуаре для очистки воды, исключающей оседание примесей, и низкая надежность работы устройства вследствие высокой окислительной способности чистого кислорода и коррозии металлических частей устройства под его воздействием. Недостатком способа является также то, что для генерирования кислорода необходимы криогенные станции, баллоны, их транспортировка, сложная техника безопасности, специализированные трубопроводы для предотвращения окисления их кислородом и загрязнения обрабатываемой жидкости продуктами химических реакций чистого кислорода. Кроме того, способ имеет узкую область применения, т.к. не может применяться в промышленных масштабах.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ обработки воды и очистки ее с использованием источника плазмы ионизированного газа и дезинфицирующих соединений ионов металлов (US 5635059 [16]), заключающийся в том, что молекулы газа ионизируют в потоке атмосферного воздуха, доставляют этот воздушный поток к выходному отверстию, при этом ионизацию молекул газа осуществляют ультрафиолетовым и инфракрасным излучением, создают магнитное поле, при этом ионизируют часть атомов кислорода и азота в потоке воздуха, затем ионизированный поток воздуха подают в трубку Вентури и смешивают с водой, ионизированные молекулы газа воздушного потока смешиваются с потоком воды и проходят через электроды, а на электроды подают напряжение от источника постоянного тока.

Основными недостатками указанного способа является низкая производительность вследствие малой проникающей способности ультрафиолетового излучения в воде и низкая эффективность обеззараживания жидкости вследствие обеззараживающего действия только на тот объем воды, который находится между электродами устройства. Это делает технически нецелесообразным промышленное применение способа, т.к. обработка воды выполняется практически вторичными, не указанными в заявке, продуктами ультрафиолетового излучения, а именно озоном и окислами азота, к которым предъявляются жесткие санитарно-гигиеничные требования по предельно допустимым концентрациям. Авторы указанного способа осознают неэффективность заявленной ими ультрафиолетовой ионизации, потому что направляют воду, смешанную с воздухом, через электроды, на которые подается напряжение, обеспечивающее газовый разряд, т.е. фактически проводят обработку воды коронным и тлеющим разрядом, что приводит к образованию не указанных в описании патента озона и окислов азота в объеме 16% по объему воздуха (см. А.с. 455731 [17], А.с. 459210 [18], Бут А.И. Применение электронно-ионной технологии в пищевой промышленности. – М.: 1997 г.[19], Чижевский А.Л. Аэроионификация в народном хозяйстве. – М. 1960 г., стр.99-105 [20]) при предельно допустимых концентрациях 0.1 мг/м³ для озона и 5 мг/м³ для окислов азота в воздухе, а в воде по нормам ПДК по СанПИН 2.1.4.1116-02-3 мг/л для первой категории воды и 2 мг/л для высшей категории воды. Для реализации заявленных целей способа по указанному патенту на электроды для распыления электродов необходимо обеспечить напряженность электрического поля 20000-50000 В/м. Более того, распыление меди с электродов в указанном способе ограничивается предельно допустимыми нормами СанПИН концентрации меди в воде не более 1 мг/л. Превышение этой нормы делает воду опасной для использования.

Задачами, решаемыми изобретением, являются повышение скорости очистки и обеззараживания жидкостей с одновременным улучшением качества очистки и обеззараживания, снижением энергозатрат на осуществление изобретения, а также существенное расширение области применения технического решения.

Поставленные задачи решаются посредством достижения следующих технических результатов при обеспечении оптимальных режимов реализации способа: полная инактивация и уничтожение вирусов, патогенных микроорганизмов и грибов, содержащихся в обрабатываемой жидкости, коагуляция и удаление из жидкости вредных и загрязняющих жидкость примесей, улучшение полезных и энергетических свойств жидкостей.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что создают поток атмосферного воздуха, ионизируют воздух, смешивают ионизированный воздух с жидкостью, удаляют из воды коагулированные примеси, инактивированные вирусы и патогенную микрофлору. Предварительно в потоке воздуха ионизируют молекулы и атомы кислорода с образованием отрицательных ионов кислорода воздуха концентрацией не менее 2·10⁸ ионов/см³, смешивают ионизированный воздух с жидкостью посредством ламинарной диффузии воздуха на высоте 1/3 от низа столба жидкости, насыщают жидкость отрицательными ионами кислорода до предела насыщения, подают жидкость в обрабатываемый объем на уровне, находящимся ниже уровня подачи воздуха в жидкость, отбирают жидкость для подачи для потребления на уровне, превышающем уровень подачи воздуха в жидкость на 1/3 столба жидкости, коагулированные осадки удаляют из обрабатываемого объема жидкости на нижнем уровне столба жидкости.

Указанная концентрация отрицательных ионов кислорода воздуха обеспечивает максимальную степень насыщения воды отрицательными ионами кислорода, что в свою очередь обеспечивает уничтожение бактерий, вирусов и патогенных микроорганизмов в воде и окисление вредных примесей. При этом обеззараживание жидкости осуществляется за счет высокой, не менее 2·10⁸ ионов/см³, концентрации отрицательных ионов кислорода в воздухе, подаваемом в жидкость. Отрицательные ионы кислорода, попадая в жидкость и контактируя с болезнетворными микроорганизмами и патогенными вирусами, окисляют их мембраны, вызывают их инактивацию и уничтожение.

Такую концентрацию отрицательных ионов кислорода обеспечивают тем, что поток воздуха обрабатывают потоком альфа-частиц, образуют положительные ионы газов воздуха и электронное облако, окисляют положительные ионы газов воздуха и образуют отрицательные ионы кислорода воздуха воздействием на поток воздуха постоянным электрическим полем параллельным потоку воздуха и вектором напряженности, направленным навстречу потоку воздуха. Отрицательные ионы кислорода воздуха образуются при прилипании и захвате свободных электронов нейтральными молекулами и атомами кислорода при условии, что энергия свободных электронов находится в пределах энергии сродства атома кислорода электрону 0.4-2.0 эВ. Для сохранения высокой концентрации свободных электронов необходимо предотвратить их рекомбинацию с положительными ионами газов воздуха. Положительные ионы всех газов воздуха восстанавливают до нейтральных молекул на электроде, выполненном в виде проводящей сетки, сквозь которую пропускают поток воздуха. Для обеспечения образования отрицательных ионов кислорода путем прилипания и захвата электронов молекулами кислорода на сетке поддерживают отрицательный электрический потенциал при помощи источника постоянного напряжения. Потенциальный барьер, создаваемый отрицательно заряженной сеткой и определяемый вектором напряженности электрического поля, направленным навстречу потоку воздуха, снижает кинетическую энергию электронов до энергии сродства атома кислорода электрону, что позволяет им эффективно взаимодействовать с кислородом воздуха с образованием отрицательных ионов кислорода.

Кроме того, требуемую концентрацию отрицательных ионов кислорода в потоке воздуха задают объемом электронного облака. А объем электронного облака, в свою очередь, задают количеством источников альфа-частиц, величиной площади испускания альфа-частиц источниками и уровнем энергии альфа-частиц.

Кроме того, обеспечивают постоянный объем обрабатываемой жидкости посредством добавления объема жидкости, равного объему потребляемой жидкости, и поддержания верхнего уровня столба жидкости на уровне, превышающем уровень отбора жидкости в объеме, превосходящим пиковый расход жидкости.

Кроме того, вариантом реализации способа является обработка жидкости, по меньшей мере, двумя ступенями, при этом на первой ступени коагулируют и удаляют осадки из жидкости, обеззараживают и насыщают жидкость отрицательными ионами кислорода, а на каждой последующей ступени в жидкость добавляют количество отрицательных ионов кислорода воздуха, равное затраченному на процессы окисления на предыдущей ступени, при этом ионизированный воздух подается на все ступени обработки параллельно, а жидкость подается от ступени к ступени последовательно.

Таким образом, быстрое насыщение всего обрабатываемого объема жидкости воздухом с высокой концентрацией отрицательных ионов кислорода позволяет осуществлять быстрое обеззараживание всего объема жидкости при существенно низких затратах электрической энергии. При этом использование, по меньшей мере, двух ступеней обработки жидкости позволяет ускорить процесс очистки, т.к. на первой ступени обработки осуществляют окисление примесей, коагулирование продуктов окисления, удаление осадка и осуществляют обеззараживание обрабатываемой жидкости. Последующие ступени служат в основном для насыщения жидкости ионизированным кислородом с дополнительной очисткой и обеззараживанием жидкости до требуемых потребителем параметров.

Предлагаемый способ осуществляется при помощи устройства, включающего последовательно соединенные воздушными патрубками воздушный компрессор, ресивер, камеру ионизации воздуха, и соединенные параллельно через диффузоры для подачи в жидкость ионизированного воздуха с камерой ионизации резервуары, заполненные обрабатываемой жидкостью и соединенные между собой последовательно патрубками подачи и отбора жидкости и снабженные патрубками для слива осадка. Стенки камеры ионизации выполнены из непроводящего материала, в поперченном сечении камеры установлена, по меньшей мере, одна пластина, на которой смонтирован, по меньшей мере, один источник альфа-частиц, а за пластиной по направлению потока воздуха смонтированы поперек воздушного потока, по меньшей мере, два сетчатых электрода, при этом выход камеры ионизации соединен воздушными патрубками со всеми резервуарами параллельно, а резервуары соединены между собой заборными и отборными патрубками подачи жидкости последовательно.

Кроме того, высоту поперечного сечения камеры ионизации задают кратной длине свободного пробега альфа-частицы в воздухе, а ширину поперечного сечения камеры ионизации задают кратной размеру используемого источника альфа-частиц, расположенного в поперечном сечении камеры ионизации.

Кроме того, источники альфа-частиц монтируют на обеих сторонах пластин, помещенных в поперечном сечении камеры ионизации параллельно друг к другу.

Кроме того, часть источников альфа-частиц монтируют на обеих сторонах одних пластин, а часть источников альфа-частиц монтируют на одной стороне других пластин, при этом пластины, на которых источники альфа-частиц смонтированы на обеих сторонах, помещают в поперечном сечении камеры ионизации параллельно друг к другу, а пластины, на которых источники альфа-частиц смонтированы на одной стороне, помещают на стенки камеры ионизации.

Кроме того, на первом по ходу потока воздуха сетчатом электроде поддерживают отрицательный электрический потенциал, размер ячейки сетки электрода и напряжение на нем задают так, чтобы обеспечить восстановление максимального количества положительных ионов газов воздуха до нейтральных молекул, а расстояние от последней по ходу потока воздуха пластины с источником альфа-частиц до электрода задают не более 20 мм.

Например, расстояние от последней по ходу потока воздуха пластины с источником альфа-частиц до электрода L₁ составляет L₁VT_r, где V – скорость воздушного потока в камере ионизации, м/с, а Т_r – минимальное время рекомбинации положительных ионов газов воздуха и свободных электронов, с. Таким образом, при скорости потока воздуха 2.5 м/с и времени рекомбинации положительных ионов газов воздуха 50 мс полная рекомбинация положительных ионов с электронным облаком наступит на расстоянии 12.5 см от последней по ходу потока воздуха пластины с источником альфа-частиц до электрода L₁. Следовательно, для восстановления положительных ионов до нейтральных молекул на первом сетчатом электроде и сохранения электронного облака расстояние от кромки источника до первого сетчатого электрода должно быть минимально допустимым из соображений минимальной рекомбинации положительных ионов с электронами электронного облака, с одной стороны, но такой величины, чтобы не допустить электрического пробоя между сетчатым электродом и источником альфа-частиц. Эти оба условия выполняются при задании расстояния от кромки источника до первого сетчатого электрода 20 мм. При этом положительные ионы получают недостающие электроны на сетчатом электроде, на котором восстановятся до нейтральных молекул, получив недостающие электроны от сетчатого электрода и сохранив тем самым высокую концентрацию свободных электронов электронного облака, необходимую для образования отрицательных ионов кислорода.

Кроме того, второй по ходу потока воздуха сетчатый электрод размещен на расстоянии не менее 20 мм от первого сетчатого электрода. Такое расстояние необходимо для выравнивания энергии свободных электронов в электронном облаке до уровня сродства энергии электрона энергии атомов и молекул кислорода 0.4-2.0 эВ.

Кроме того, камера ионизации через параллельные воздушные патрубки соединена с диффузорами, каждый из которых установлен в каждом из резервуаров на высоте 1/3 уровня столба обрабатываемой жидкости от дна резервуара, и представляет собой спирально завитую трубку, установленную горизонтально и имеющую множество отверстий. За счет такого расположения диффузора по высоте резервуара восходящий поток ионизированного воздуха смешивают с обрабатываемой жидкостью, вызывая химические реакция окисления примесей и патогенных микроорганизмов, обеспечивая эффективную очистку и обеззараживание жидкости.

Кроме того, давление, создаваемое компрессором с учетом потерь при прохождении через ресивер, камеру ионизации и все патрубки до спирального диффузора, превышает давление столба жидкости над спиральным диффузором.

Кроме того, все металлические патрубки, резервуары и другие металлические части устройства заземлены. Это исключает окисление металлических частей устройства отрицательными ионами кислорода.

Кроме того, патрубки отбора жидкости из резервуаров расположены выше уровня диффузоров на 1/3 столба жидкости и ниже уровня жидкости в резервуаре на высоту, определяемую из соотношения hV_а·T/Q, где V_a – объем максимального потребления жидкости в единицу времени, м³, Т – временной интервал потребления жидкости, час, Q – площадь поперечного сечения резервуара, м².

Например, для взрослой птицы (кур) в количестве 6.5 тыс.голов объем максимального потребления воды составляет 80 л/час или 0,08 м³/час. При площади поперечного сечения резервуара 0.7·0.7=0.49 м² и временном интервале потребления воды 4 часа высота h должна быть больше 0.65 м.

Кроме того, вариантом технического осуществления устройства является решение, в котором устройство содержит, по меньшей мере, две камеры ионизации, соединенных с ресивером и резервуарами параллельно.

Сущность заявляемых способа и устройства и пример промышленного применения поясняется Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4., Фиг.5, Фиг.6, Фиг.7, Фиг.8, Фиг.9, Фиг.10., Фиг.11, Фиг.12., Фиг.13 и Фиг.14.

Устройство (см. Фиг.1) включает в себя воздушный компрессор 1, ресивер 2, патрубок подачи воздуха 3, камеру ионизации 4. В камере ионизации установлены сетчатые электроды 5 и 6, подключенные к отрицательному потенциалу источника постоянного напряжения 7, другой потенциал которого заземлен 8. Камера ионизации также заземлена заземлением 9. Камера ионизации 4 соединена воздушным патрубком 10 с резервуаром 11. Резервуар снабжен клапаном 12. Резервуар 11 снабжен патрубком подачи жидкости 13, клапаном регулирования уровня жидкости 14, поплавком 15, патрубком подачи жидкости внутри резервуара 16, перфорированной спиральной трубкой 17, патрубком для слива отстоя 18 с клапаном 19. Воздушный патрубок, ведущий от камеры ионизации 4, имеет ответвление воздушного патрубка 20, снабженного клапаном 21 и соединенного со вторым резервуаром 24. Резервуары 11 и 24 соединены патрубком 22, снабженным клапаном 23. В резервуаре 24 установлен поплавок 25, патрубок подачи жидкости 26, патрубок удаления слива 27, снабженный клапаном 28. Кроме этого, в резервуаре установлена перфорированная спиральная трубка 29. Резервуар 24 снабжен трубопроводом 30 для подачи обработанной жидкости к месту потребления, где могут быть оборудованы конечные устройства раздачи жидкости 31 (например, поилки для птиц). Устройство снабжено многопозиционным реле 32 автоматического регулирования работой клапанов 12, 14, 19, 21, 23 и 28.

На Фиг.2 показано устройство камеры ионизации 4. Камера ионизации соединена с воздухопроводами через переходные насадки 33 и 34. В камере установлены источники альфа-частиц 35 с возможностью их перекрытия шиберной пластиной 36 для управления первоначальной энергией альфа-частиц, сетчатые электроды 5 и 6, смонтированные в диэлектрических вставках 37 и 38 и подсоединенные к отрицательному выводу источника напряжения 7 через контакты 39.

На Фиг.3 показан поперченный разрез камеры ионизации круглого сечения с вариантом установки источника альфа-частиц 35 в нижней части камеры ионизации. Данный вариант расположения источника альфа-частиц применяется в случае, когда объем обрабатываемой жидкости небольшой, расход воздуха незначительный и диаметр камеры ионизации не больше длины свободного пробега альфа-частиц в воздухе.

Длина пробега альфа-частиц в воздухе зависит от их энергии, определяемой изотопом, используемым в источнике, и составляет несколько сантиметров. Это величина известная, определяемая из таблиц. Например, для изотопа Р₂₃₉ максимальная энергия испускаемых им альфа-частиц составляет 5,1 МэВ, а средняя длина пробега альфа-частиц в воздухе составляет 50 мм.

На Фиг.4 показан поперечный разрез камеры ионизации 4 круглого сечения с установленным сетчатым электродом 5, подключенным через контакт 39 к отрицательному выводу источника постоянного напряжения 7 с заземлением 8.

На Фиг.5 показан поперечный разрез камеры ионизации 4 круглого сечения с вариантом установки источника альфа-частиц 35 по оси камеры ионизации 4. Данный вариант расположения источника альфа-частиц применяется в случае, когда диаметр камеры ионизации больше длины свободного пробега альфа-частиц в воздухе, но не больше удвоенной длины свободного пробега альфа-частиц в воздухе. В этом случае диаметр камеры ионизации может составлять 10 см, а площадь поперечного сечения 78.5 см². Таким образом, при одной и той же скорости потока воздуха увеличение диаметра камеры ионизации в 2 раза позволяет увеличить расход ионизированного воздуха в 4 раза.

На Фиг.6 показан поперечный разрез камеры ионизации 4 прямоугольного сечения с вариантом установки источника альфа-частиц 35 в углублении одной стенки камеры ионизации. Данный вариант расположения источника альфа-частиц применяется в случае, когда высота камеры ионизации Н не больше длины свободного пробега L альфа-частиц в воздухе.

На Фиг.7 показан поперечный разрез камеры ионизации 4 прямоугольного сечения с вариантом установки источников альфа-частиц 35 в углублении противоположных стенок камеры ионизации. Данный вариант расположения источника альфа-частиц применяется в случае, когда высота камеры ионизации Н больше длины L свободного пробега альфа-частиц в воздухе, но не превышает удвоенной длины L свободного пробега альфа-частиц в воздухе.

Например, при рабочей поверхности источника альфа-частиц 60×30 мм устанавливаем по два источника альфа-частиц на противоположных стенках камеры ионизации с расположением источника альфа-частиц длиной стороной поперек потока воздуха. Тогда размер поперечного сечения камеры ионизации составит 120×100 мм, а площадь поперечного сечения 120 см².

На Фиг.8 показан поперечный разрез камеры ионизации 4 прямоугольного сечения с вариантом установки источников альфа-частиц 35 по оси камеры ионизации. Данный вариант расположения источника альфа-частиц применяется в случае, когда высота камеры ионизации Н больше длины L свободного пробега альфа-частиц в воздухе, но не превышает удвоенной длины L свободного пробега альфа-частиц в воздухе.

На Фиг.9 показан поперечный разрез камеры ионизации 4 прямоугольного сечения с вариантом установки источников альфа-частиц 35 по оси камеры ионизации и в углублениях противоположных стенок камеры ионизации. Данный вариант расположения источника альфа-частиц применяется в случае, когда высота камеры ионизации Н больше удвоенной длины L свободного пробега альфа-частиц в воздухе.

На Фиг.10 показан вариант технического осуществления устройства, в котором для каждого резервуара установлена отдельная камера ионизации.

На Фиг.11 показан результат применения способа для обеззараживания молока.

На Фиг.12 показаны лабораторные испытания способа и устройства.

На Фиг.13 и Фиг.14 показаны опытно-промышленные испытания способа и устройства в птичнике ОАО “Новосибирская птицефабрика”.

Способ осуществляется и устройство работает следующим образом. Воздушный компрессор 1 нагнетает воздух в ресивер 2, в котором создается давление, величиной больше атмосферного давления на величину столба жидкости над перфорированным патрубком в первом резервуаре для подачи ионизированного воздуха в жидкость. Из ресивера 2 воздух по патрубку подачи воздуха 3 поступает в камеру ионизации 4 воздуха со скоростью, зависящей от сечения выходного отверстия патрубка 3 и требуемого давления. В камере ионизации линейная скорость уменьшается за счет большей площади поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения воздушного патрубка. Т.е. линейная скорость воздушного потока преобразуется в объемную скорость расхода воздуха, что позволяет увеличить время обработки воздушного потока в камере ионизации 4.

В камере ионизации 4 воздух подвергается бомбардировке альфа-частицами, в результате чего формируется электронное облако и положительные ионы газов воздуха.

Альфа-частицы образуются за счет испускания их закрытым источником альфа-частиц, распложенным на монтажной пластине, имеющей углубление на 2-4 мм больше толщины источника альфа-частиц для исключения абразивного износа и отрыва вещества от источника альфа-частиц. Регулирование потока альфа-частиц осуществляется за счет установки более одного источника альфа-частиц на монтажной пластине и возможности перекрытия источников альфа-частиц пластиной шибера.

Один из размеров камеры ионизации в поперечном сечении: высота или ширина, задают кратным длине свободного пробега альфа-частиц в воздухе, например, при энергии альфа-частиц 5 МэВ длина свободного пробега альфа-частиц в воздухе не превышает 50 мм.

При этом вариантом технического осуществления камеры ионизации при необходимости обработки потока воздуха с большим расходом может быть выполнение ее высотой или шириной более свободного пробега альфа-частиц в воздухе, например, более 50 мм. В этом случае в поперечном сечении камеры ионизации устанавливается более одной монтажной пластины с источником или источниками альфа-частиц, при этом расстояние между соседними монтажными пластинами, на которых установлены источники альфа-частиц, обращенные друг к другу рабочими поверхностями, с которых происходит испускание альфа-частиц, не должно быть более удвоенного свободного пробега альфа-частиц в воздухе, например, не более 100 мм при энергии альфа-частиц 5.1 МэВ.

После свободного пробега в воздухе альфа-частицы превращаются в чистые нейтральные молекулы гелия, являющегося инертным газом и не представляющим никакой опасности для окружающей среды. При этом источники альфа-частиц могут располагаться в зависимости от технического исполнения как с одной стороны монтажной пластины, так и с двух сторон монтажной пластины. Если источники альфа-частиц располагаются с обеих сторон одной монтажной пластины, установленной в поперечном сечении камеры ионизации 4, то поперечный размер камеры ионизации 4, т.е. высота или ширина камеры ионизации, определяется из условия, чтобы расстояние от плоскости источника альфа-частиц до стенки камеры ионизации 4 не превышало длину свободного пробега альфа-частиц в воздухе. Например, при энергии альфа-частиц 5.1 МэВ длина свободного пробега альфа-частиц в воздухе не превышает 50 мм.

После обработки альфа-частицами воздушная смесь проходит через сетчатый электрод 5, подключенный к отрицательному потенциалу источника постоянного напряжения 7, другой потенциал которого заземлен 8. На электроде 5 происходит окисление положительных ионов с образованием нейтральных молекул, что исключает рекомбинацию с электронным облаком.

Далее, воздушный поток, содержащий облако свободных электронов, которые уже не могут рекомбинировать из-за отсутствия положительных ионов, проходит через второй сетчатый электрод 6, подключенный к отрицательному потенциалу источника 7 постоянного напряжения. Данный электрод служит для выравнивания энергии электронного облака до заданного интервала энергий 0.4-2 эВ, что является для захвата и прилипания электронов к молекулам и атомам кислорода благодаря сродству энергии электронов молекулам и атомам кислорода. Это гарантирует образование ионов кислорода и препятствует образованию других ионов.

Из камеры ионизации воздух, обогащенный отрицательными ионами кислорода, подается по патрубку 10 в резервуар 11, где жидкость, например вода, обеззараживается отрицательными ионами кислорода, а примеси окисляются и выпадают в осадок. Регулирование подачи воздуха в резервуар осуществляют клапаном 12. Жидкость в резервуар 11 поступает по патрубку 13 забора жидкости, при этом объем поступления жидкости регулируют клапаном 14 на патрубке забора жидкости 13.

Для регулирования уровня жидкости в резервуарах 11 и 24 и обеспечения постоянного объема обрабатываемой жидкости установлены соответственно поплавок 15 и поплавок 25, открывающий или перекрывающий патрубок 16 подачи жидкости в резервуаре 11. Воздух, обогащенный отрицательными ионами кислорода, подается под давлением в перфорированную спиральную трубку 17, из которой попадает в жидкость. В ходе работы резервуара слив отстоя выполняют по патрубку 18, оборудованном клапаном 19. В резервуаре 11 жидкость обеззараживают за счет окисления вирусов и патогенных микроорганизмов, содержащихся в жидкости, отрицательными ионами кислорода. Окисление приводит к инактивации вирусов и патогенных микроорганизмов и их уничтожению.

Одновременно с подачей воздуха, обогащенного отрицательными ионами кислорода, в резервуар 11, обогащенный отрицательными ионами кислорода воздух подается по патрубку 20, снабженному клапаном 21, в резервуар 24 очистки и обогащения жидкости отрицательными ионами кислорода. Обеззараженная жидкость в резервуар 24 подается по патрубку 22 в резервуар очистки жидкости 24. Регулировку расхода жидкости при подаче ее в резервуар 24 выполняют клапаном 23 на патрубке 22 подачи жидкости в резервуар 24. Регулировку уровня жидкости в резервуаре 24 выполняют поплавком 25, который открывает или перекрывает патрубок подачи жидкости 26 в резервуаре 24.

Для удаления отстоя из резервуара 24 используют патрубок 27 слива отстоя, снабженный клапаном 26. Воздух, обогащенный отрицательными ионами кислорода, подадют в жидкость резервуара 24 через диффузор – перфорированную спиральную трубку 29.

В резервуаре 24 осуществляется дополнительная очистка жидкости за счет окисления примесей отрицательными ионами кислорода воздуха. Окисленные и коагулированные примеси выпадают в осадок и удаляются через патрубок слива 27. В жидкость подается такое количество отрицательных ионов кислорода, которое превосходит количество, необходимое для окисления примесей и их коагуляции на величину полного насыщения жидкости кислородом воздуха.

Например, при атмосферном давлении 760 мм рт.ст.и температуре жидкости 40°С максимальная концентрация кислорода в воде составляет 6,4 мг/л. Эти ионы кислорода обогащают жидкость, придавая ей большую энергетическую полезность.

После обработки обеззараженная очищенная и обогащенная отрицательными ионами кислорода жидкость подается по трубопроводу 30 к месту потребления. Например, обработанная и обогащенная отрицательными ионами кислорода вода может подаваться в поилки 31 для снабжения птиц или животных водой.

Управление согласованной работой резервуаров и компрессора осуществляется многопозиционным реле 32 автоматического регулирования закрыванием-открыванием клапанов 12, 14, 19, 21, 23 и 28. Клапаны и многопозиционное реле отрегулированы таким образом, чтобы обеспечить технологические процессы очисти и обеззараживания с удалением осадка с опережением раздачи жидкости, обогащенной отрицательными ионами кислорода.

Техническая осуществимость и эффективность промышленного применения предлагаемого способа подтверждена лабораторными и опытно-промышленными испытаниями путем обеззараживания молока и воды.

Для испытаний применения способа с целью обеззараживания молока брали один резервуар, заполненный пастеризованным молоком, отвечающим требованиям санитарных норм – 100,000 микроорганизмов в 1 см. Это объем был разделен на 3 равных объема с назначением: (I) – контрольный, не подвергаемый обработке, (II) -обрабатываемый обычным атмосферным воздухом, (III) – обрабатываемый воздухом, обогащенным отрицательными ионами кислорода. Расход воздуха в объемах (II) и (III) был одинаковым. После испытаний из всех трех объемов пробы молока высевались на чашки Петри и помещались в соответствии с микробиологическими нормами в термостат на 3 дня. Далее микроорганизмы на каждой чашке подсчитывались. Результаты обработки молока показаны на Фиг.11. Анализ результатов показал высокую эффективность применения предлагаемого способа для обеззараживания жидкостей.

Имеются результаты промышленного применения заявляемого способа и устройства для очистки, обеззараживания и обогащения воды отрицательными ионами кислорода в птичниках ОАО “Новосибирская птицефабрика”. Опытно-промышленные устройства показаны на Фиг.13 и Фиг.14. Способ применялся для обработки воды перед подачей на поение 6.5 тысяч взрослых кур, суточная потребность которых составляла 1.9 т в сутки или 80 л/ч. Очистку, обеззараживание и обогащение воды отрицательными ионами кислорода проводили в резервуаре емкостью 920 л. Температура воды, подаваемой на питье составляет 35-40°С. Испытания показали, что предлагаемые способ и устройство обеспечивают высокую эффективность очистки, обеззараживания и обогащения воды отрицательными ионами кислорода до 6,4 мг/л.

Источники информации

1. Заявка RU 2005124906, дата публикации 2007.02.10.

2. Заявка RU 2005124905, дата публикации 2007.02.10.

3. Заявка RU 2005124904, дата публикации 2007.02.10.

4. Заявка на патент Южной Кореи KR20040055199, дата публикации 2004.06.26.

5. А.с.455731, дата публикации 1975.01.05.

6. А.с.459210, дата публикации 1975.02.05.

7. Патент RU 2116256, дата публикации 1998.07.27.

8. Заявка RU 2005139958, дата публикации 2007.06.27.

9. RU 2244690, дата публикации 2005.01.20.

10. Патент RU 2278830, дата публикации 2006.06.27.

11. Заявка RU 2005128373, дата публикации 2007.03.20.

12. Патент RU 2288192, дата публикации 2006.11.27.

13. Заявка RU 2003107702, дата публикации 2004.09.20.

14. Заявка на изобретение RU 2005138076, дата публикации 2007.06.20.

15. Европейский патент ЕР 1767261, дата публикации 2007.03.28.

16. Патент США US 5635059, дата публикации 1997.06.03.

17. А.с.455731, дата публикации 1975.01.05.

18. А.с.459210, дата публикации 1975.02.05.

19. Бут А.И. Применение электронно-ионной технологии в пищевой промышленности. – М.: 1997 г.

20. Чижевский А.Л. Аэроионификация в народном хозяйстве. – М. 1960 г., стр.99-105.

Формула изобретения

1. Способ очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода, заключающийся в том, что создают поток атмосферного воздуха, ионизируют воздух, смешивают ионизированный воздух с жидкостью, удаляют из воды коагулированные примеси, инактивированные вирусы и патогенную микрофлору, отличающийся тем, что в потоке воздуха ионизируют молекулы и атомы кислорода с образованием отрицательных ионов кислорода воздуха концентрацией не менее 2·10⁸ ионов/см³, смешивают ионизированный воздух с жидкостью посредством ламинарной диффузии воздуха на высоте 1/3 от низа столба жидкости, насыщают жидкость отрицательными ионами кислорода до предела насыщения, подают жидкость в обрабатываемый объем на уровне, находящемся ниже уровня подачи воздуха в жидкость, отбирают жидкость для подачи для потребления на уровне, превышающем уровень подачи воздуха в жидкость на 1/3 столба жидкости, коагулированные осадки удаляют из обрабатываемого объема жидкости на нижнем уровне столба жидкости.

2. Способ очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.1, отличающийся тем, что поток воздуха обрабатывают потоком альфа-частиц, образуют положительные ионы газов воздуха и электронное облако, окисляют положительные ионы газов воздуха и образуют отрицательные ионы кислорода воздуха воздействием на поток воздуха постоянным электрическим полем параллельным потоку воздуха и вектором напряженности, направленным навстречу потоку воздуха, задают энергию электронов электронного облака в диапазоне 0,4-2 эВ.

3. Способ очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.2, отличающийся тем, что требуемую концентрацию отрицательных ионов кислорода в потоке воздуха задают объемом электронного облака.

4. Способ очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.3, отличающийся тем, что объем электронного облака задают количеством источников альфа-частиц, величиной площади испускания альфа-частиц источниками и уровнем энергии альфа-частиц.

5. Способ очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.1, отличающийся тем, что обеспечивают постоянный объем обрабатываемой жидкости.

6. Способ очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.5, отличающийся тем, что постоянный объем обрабатываемой жидкости обеспечивают добавлением объема жидкости, равного объему потребляемой жидкости, а верхний уровень столба жидкости поддерживают на уровне, превышающем уровень отбора жидкости в объеме, превосходящем пиковый расход жидкости.

7. Способ очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.1, отличающийся тем, что жидкость обрабатывают, по меньшей мере, двумя ступенями, при этом на первой ступени коагулируют и удаляют осадки из жидкости, обеззараживают и насыщают жидкость отрицательными ионами кислорода, а на каждой последующей ступени в жидкость добавляют количество отрицательных ионов кислорода воздуха, равное затраченному на процессы окисления на предыдущей ступени, при этом ионизированный воздух подается на все ступени обработки параллельно, а жидкость подается от ступени к ступени последовательно.

8. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода, включающее последовательно соединенные воздушными патрубками воздушный компрессор, ресивер, камеру ионизации воздуха и соединенные параллельно через диффузоры для подачи в жидкость ионизированного воздуха с камерой ионизации резервуары, заполненные обрабатываемой жидкостью и соединенные между собой последовательно патрубками подачи и отбора жидкости и снабженные патрубками для слива осадка, отличающееся тем, что стенки камеры ионизации выполнены из непроводящего материала, в поперченном сечении камеры установлена, по меньшей мере, одна пластина, на которой смонтирован, по меньшей мере, один источник альфа-частиц, а за пластиной по направлению потока воздуха смонтированы поперек воздушного потока, по меньшей мере, два сетчатых электрода, при этом выход камеры ионизации соединен воздушными патрубками со всеми резервуарами параллельно, а резервуары соединены между собой заборными и отборными патрубками подачи жидкости последовательно.

9. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что высоту поперечного сечения камеры ионизации задают кратной длине свободного пробега альфа-частицы в воздухе, а ширину поперечного сечения камеры ионизации задают кратной размеру используемого источника альфа-частиц, расположенного в поперечном сечении камеры ионизации.

10. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что источники альфа-частиц монтируют на обеих сторонах пластин, помещенных в поперечном сечении камеры ионизации параллельно друг к другу.

11. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что часть источников альфа-частиц монтируют на обеих сторонах одних пластин, а часть источников альфа-частиц монтируют на одной стороне других пластин, при этом пластины, на которых источники альфа-частиц смонтированы на обеих сторонах, помещают в поперечном сечении камеры ионизации параллельно друг к другу, а пластины, на которых источники альфа-частиц смонтированы на одной стороне, помещают на стенки камеры ионизации.

12. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что на первом по ходу потока воздуха сетчатом электроде поддерживают отрицательный электрический потенциал, размер ячейки сетки электрода и напряжение на нем задают так, чтобы обеспечить восстановление максимального количества положительных ионов газов воздуха до нейтральных молекул, а расстояние от последней по ходу потока воздуха пластины с источником альфа-частиц до первого сетчатого электрода задают не более 20 мм.

13. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что второй по ходу потока воздуха сетчатый электрод размещен на расстоянии не менее 20 мм от первого сетчатого электрода.

14. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что камера ионизации через параллельные воздушные патрубки соединена с диффузорами, каждый из которых установлен в каждом из резервуаров на высоте 1/3 уровня столба обрабатываемой жидкости от дна резервуара, и представляет собой спирально завитую трубку, установленную горизонтально и имеющую множество отверстий.

15. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что давление, создаваемое компрессором с учетом потерь при прохождении через ресивер, камеру ионизации и все патрубки до спирального диффузора, превышает давление столба жидкости над спиральным диффузором.

16. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что все металлические патрубки, резервуары и другие металлические части устройства заземлены.

17. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что патрубки отбора жидкости из резервуаров расположены выше уровня диффузоров на 1/3 столба жидкости и ниже уровня жидкости в резервуаре на высоту, определяемую из соотношения hV_a·T/Q, где V_a – объем максимального потребления жидкости в единицу времени, м³; Т – временной интервал потребления жидкости, ч; Q – площадь поперечного сечения резервуара, м².

18. Устройство очистки, обеззараживания и обогащения жидкостей отрицательными ионами кислорода по п.8, отличающееся тем, что устройство содержит, по меньшей мере, две камеры ионизации, соединенные с ресивером и резервуарами параллельно.

РИСУНКИ