RU2496720C2 - Water treatment method and system - Google Patents
Water treatment method and system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2496720C2 RU2496720C2 RU2012103187/05A RU2012103187A RU2496720C2 RU 2496720 C2 RU2496720 C2 RU 2496720C2 RU 2012103187/05 A RU2012103187/05 A RU 2012103187/05A RU 2012103187 A RU2012103187 A RU 2012103187A RU 2496720 C2 RU2496720 C2 RU 2496720C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- ice
- heavy
- cooling
- freezing
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Water Treatments (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области обработки воды замораживанием и предназначено для промышленного получения воды, очищенной от тяжелых примесей и со свойствами талой воды.The invention relates to the field of water treatment by freezing and is intended for the industrial production of water purified from heavy impurities and with the properties of melt water.
Уровень техникиState of the art
Известен способ очистки воды (см. патент RU 2282596, МПК: C02F 9/08, C02F 1/22, опубл. 27.08.2006 г.), включающий первичное замораживание до перехода 4-5 мас.% воды в твердую фазу, которую удаляют, а оставшуюся часть воды замораживают, подвергая гидродинамической кавитации и удаляя центральную часть в количестве 4-5 мас.%.A known method of water purification (see patent RU 2282596, IPC: C02F 9/08,
Известен способ очистки воды (см. патент RU 2400433, МПК: C02F 1/22, опубл. 27.09.2010), включающий охлаждение воды в камере заморозки до полного замораживания, перенос в камеру оттаивания образовавшегося льда и его постепенное размораживание с фильтрованием талой воды через термостатируемый фильтр.A known method of water purification (see patent RU 2400433, IPC:
Известен способ очистки воды, включающий полное замораживание воды в сосуде и поэтапное оттаивание воды в перевернутом сосуде, предполагающий намораживание тяжелой воды на стенках сосуда и ее отделение как первично оттаиваемой со стенок сосуда в отдельную емкость (см. патент RU 2404131, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.11.2010).A known method of water purification, including the complete freezing of water in a vessel and the gradual thawing of water in an inverted vessel, involves the freezing of heavy water on the walls of the vessel and its separation as initially thawed from the vessel walls into a separate container (see patent RU 2404131, IPC: C02F 1 / 22, published on November 20, 2010).
Известен способ очистки воды путем ее замораживания (патент RU 2142914, МПК: C02F 1/22, опубл. 20,12.1999), включающий охлаждение емкости с водой до температуры замораживания с получением слоя чистого льда по контуру емкости в объеме 25-50% от начального объема воды и слоя дейтериевого льда толщиной 0,5-4 мм по обеим торцевым поверхностям, выливание остаточного рассола и размораживание чистого льда.A known method of purifying water by freezing it (patent RU 2142914, IPC:
Каждый из вышеупомянутых способов позволяет осуществить очистку воды от так называемой «тяжелой» воды, содержащей тяжелые изотопы водорода и кислорода, из которых наиболее известны - дейтерий и тритий, и которые, как установлено многочисленными исследованиями, оказывают неблагоприятное воздействие на живые организмы, в том числе организм человека. Однако все вышеупомянутые способы имеют ограниченное применение - для малых объемов воды, т.к. предполагают удаление первично образующегося дейтериевого льда, перенос его в другую емкость и прочие операции, которые невозможно осуществить в условиях больших объемов.Each of the above methods allows the purification of water from the so-called "heavy" water containing heavy isotopes of hydrogen and oxygen, of which the most famous are deuterium and tritium, and which, as established by numerous studies, have an adverse effect on living organisms, including human organism. However, all of the above methods have limited application for small volumes of water, because suggest the removal of the initially formed deuterium ice, its transfer to another container and other operations that cannot be carried out in conditions of large volumes.
Известны способы очистки воды, применяемые в промышленном водоснабжении, основанные на замораживании воды методом дождевания (разбрызгивания) в атмосфере с отрицательной температурой воздуха с образованием ледяного массива, и получение очищенной воды в результате последующего таяния этого массива (см. патент RU 2178389, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.01.2002, а также патент SU 1838244, МПК: C02F 1/22, опубл. 30.08.1993 г.). Однако эти способы обеспечивают очистку воды только от рассолов и механических примесей, и не позволяют очистить воду от т.н. тяжелой воды.Known methods of water purification used in industrial water supply, based on freezing water by sprinkling (spraying) in an atmosphere with negative air temperature to form an ice mass, and obtaining purified water as a result of subsequent melting of this mass (see patent RU 2178389, IPC: C02F 1/22, published on January 20, 2002, and also patent SU 1838244, IPC:
Известен способ очистки воды (см. патент RU 2274607, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.04.2006 г.), включающий замораживание воды в закрытой емкости с образованием льда ≈70% от общего объема воды, слив незамерзшего рассола с примесями, и размораживание льда, которое осуществляют в два этапа: сначала размораживают 93-95% от общего объема льда, удаляя талую чистую воду через фильтр тонкой очистки, а затем размораживают оставшийся лед, содержащий тяжелые изотопы, и удаляют его в отдельную емкость. Талую воду для более полной очистки от тяжелых изотопов подвергают кратковременному замораживанию с получением 3-7% льда от объема воды, который также удаляют. Однако полное замораживание воды на первом этапе делает экономически нецелесообразным применение этого способа для очистки больших объемов воды.A known method of water purification (see patent RU 2274607, IPC:
В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого способа принят способ очистки питьевой воды, имеющий место при работе установки по патенту на изобретение RU 2128144, МПК: C02F 1/22, C02F 9/00, опубл. 27.03.1999 г. Способ включает охлаждение воды до перехода в лед части воды, содержащей тяжелые изотопы, слив незамерзшей, очищенной от «тяжелой», воды для последующего ее полного замораживания и оттаивания с получением талой воды, и растапливание оставшегося льда в той же емкости с последующим его удалением по отдельной линии.As the closest analogue to the proposed method, the method of purification of drinking water, which takes place during operation of the installation according to the invention patent RU 2128144, IPC:
Недостатком этого способа является невозможность обеспечения высокого качества очистки воды при больших объемах используемых емкостей. Однократное замораживание воды позволяет вывести из воды всего около 4% тяжелых изотопов.The disadvantage of this method is the inability to provide high quality water purification with large volumes of used containers. A single freezing of water allows removing only about 4% of heavy isotopes from water.
Известно устройство для очистки воды, включающее емкость для воды с коническим днищем, отверстием для слива воды и средствами замораживания и нагревания, связанными с блоком управления, емкость для сбора очищенной воды и емкость для сбора воды с примесями и повышенным содержанием дейтерия (см. патент на полезную модель RU 83068, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.05.2009).A device for water purification is known, including a water tank with a conical bottom, a drain for water and freezing and heating means associated with the control unit, a tank for collecting purified water and a tank for collecting water with impurities and a high deuterium content (see patent for Utility model RU 83068, IPC: C02F 1/22, publ. 05.20.2009).
Известно устройство для очистки воды путем ее замораживания, включающее резервуар для воды, имеющий съемные крышку и дно, оснащенные средствами заморозки и нагрева и выполненные с выемками на внутренних поверхностях для намораживания в них льда (см. патент на изобретение RU 2058262, МПК: C02F 1/22, опубл. 20.04.1996).A device is known for purifying water by freezing it, including a water tank having a removable lid and a bottom, equipped with freezing and heating means and made with recesses on the internal surfaces for freezing ice in them (see patent for invention RU 2058262, IPC: C02F 1 / 22, published on 04/20/1996).
Однако оба вышеупомянутых устройства предназначены для бытового домашнего использования.However, both of the above devices are for domestic use.
Известна промышленная опреснительная установка, предназначенная для очистки воды путем вымораживания с использованием естественных климатических факторов (см. патент на изобретение RU 2255902, МПК: C02F 1/22, опубл. 10.07.2005). Установка включает накопитель очищаемой воды, накопитель очищенной опресненной воды, насосные станции с подводящими напорными трубопроводами, льдоплощадку с противофильтрационным экраном, оградительными валами, отсечной дреной и водовыпусками, аппараты зимнего дождевания для намораживания ледяного массива, системы каналов для собирания рассолов и опресненной воды, контрольно-измерительный комплекс, энергетическую установку и устройство для нагрева воздуха и его подачи в коллектор. Упомянутая установка обеспечивает очистку воды от рассолов, однако она не может быть использована для очистки воды от тяжелых изотопов водорода.Known industrial desalination plant designed for water purification by freezing using natural climatic factors (see patent for invention RU 2255902, IPC:
В качестве наиболее близкого, по назначению и наличию сходных конструктивных признаков, аналога для заявляемого устройства принята установка для очистки питьевой воды (см. патент на изобретение RU 2128144, МПК: C02F 1/22, C02F 9/00, опубл. 27.03.1999 г.). Установка содержит, по меньшей мере, две сообщенные между собой емкости со средствами охлаждения и нагрева, первая из которых снабжена линией слива тяжелой воды, а последняя - линией слива очищенной воды. Вода охлаждается в первой емкости до перехода в лед части воды, содержащей тяжелые изотопы. Незамерзшая вода переливается во вторую емкость, где она полностью замораживается и затем растапливается с получением талой воды. Лед с повышенным содержанием тяжелых изотопов, оставшийся в первой емкости, растапливается и удаляется отдельно. Установка позволяет получать свободную от тяжелой воды питьевую воду, обладающую свойствами талой воды, однако она также предназначена для небольших объемов и использования в домашних условиях.As the closest, according to the purpose and the presence of similar structural features, analogue for the claimed device, an installation for drinking water treatment has been adopted (see patent for invention RU 2128144, IPC: C02F 1/22, C02F 9/00, published on 03/27/1999 .). The installation contains at least two containers connected to each other with cooling and heating means, the first of which is equipped with a heavy water drain line, and the last with a purified water drain line. Water is cooled in the first tank until part of the water containing heavy isotopes enters the ice. Non-frozen water is poured into the second tank, where it is completely frozen and then melted to obtain melt water. Ice with a high content of heavy isotopes remaining in the first tank is melted and removed separately. The installation allows you to get free of heavy water drinking water with the properties of melt water, however, it is also designed for small volumes and use at home.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа и системы очистки, позволяющих осуществлять очистку воды от содержащихся в ней тяжелых изотопов в промышленных масштабах и с надлежащим качеством, в том числе за счет использования естественных климатических факторов.The problem to which the claimed invention is directed is to develop a method and system of purification that allows water to be purified from the heavy isotopes contained in it on an industrial scale and with appropriate quality, including through the use of natural climatic factors.
Одним положительным техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является повышение качества очистки воды от тяжелых изотопов, независимо от объема очищаемой воды.One positive technical result achieved by the implementation of the claimed invention is to improve the quality of water purification from heavy isotopes, regardless of the volume of purified water.
Другим положительным результатом является возможность получения тяжелой воды с высокой концентрацией тяжелых изотопов, что позволяет использовать ее для промышленных целей.Another positive result is the possibility of obtaining heavy water with a high concentration of heavy isotopes, which allows it to be used for industrial purposes.
Вышеупомянутая задача решена, и технические результаты достигнуты благодаря тому, что в способе очистки воды, включающем охлаждение воды до перехода в лед части воды, содержащей тяжелые изотопы, слив незамерзшей воды для последующего ее полного замораживания и оттаивания с получением талой воды, и растапливание льда, оставшегося после слива, в той же емкости, согласно заявляемому изобретению, охлаждение осуществляют, по меньшей мере, в две стадии, на каждой из которых воду охлаждают при постоянном перемешивании до перехода в лед 10-20% воды от ее начального объема, при этом на каждую последующую стадию подают незамерзшую воду с предыдущей стадии, а растопленный лед, возвращают на предыдущую стадию, добавляя его к охлаждаемой воде, растопленный лед с первой стадии, имеющий наибольшее содержание тяжелых изотопов, удаляют в накопитель для последующего использования.The above problem is solved and the technical results are achieved due to the fact that in the method of water purification, which includes cooling the water before moving part of the water containing heavy isotopes into ice, draining the unfrozen water for its subsequent freezing and thawing to obtain melt water, and melting the ice, remaining after draining, in the same tank, according to the claimed invention, the cooling is carried out in at least two stages, at each of which the water is cooled with constant stirring until 10-20% of water passes into ice t of its initial volume, while for each subsequent stage unfrozen water is supplied from the previous stage, and the melted ice is returned to the previous stage, adding it to the cooled water, the melted ice from the first stage, which has the highest content of heavy isotopes, is removed to the accumulator for the subsequent use.
Вышеупомянутая задача решена также за счет предлагаемой системы очистки воды, содержащей, по меньшей мере, две сообщенные между собой емкости со средствами охлаждения и нагрева, из которых первая емкость снабжена линией слива тяжелой воды, а последняя - линией слива очищенной воды.The aforementioned problem is also solved by the proposed water purification system, comprising at least two interconnected containers with cooling and heating means, of which the first container is equipped with a heavy water drain line, and the last one with a purified water drain line.
Новым в предлагаемой системе очистки является выполнение емкостей для воды в виде бассейнов с перекрытием, обеспечивающим возможность доступа атмосферного воздуха, оснащенных средствами перемешивания воды и последовательно сообщенных между собой линиями слива незамерзшей воды и линиями возврата растопленного льда, при этом линия слива очищенной воды последней емкости соединена с установкой для получения талой воды, включающей средства намораживания льда и льдохранилище.New in the proposed cleaning system is the implementation of water tanks in the form of swimming pools with an overlap that provides access to atmospheric air, equipped with water mixing means and successively communicated between each other by drain lines of unfrozen water and return lines of melted ice, while the drain line of purified water of the last tank is connected with a plant for producing melt water, including means of freezing ice and ice storage.
Повышение качества очистки воды, при больших объемах последней, достигается благодаря многоступенчатости очистки, осуществляемой последовательно на нескольких стадиях, аналогичных друг другу. На каждую последующую стадию подают воду уже частично очищенную от тяжелых изотопов и повторяют действия, аналогичные осуществленным на предыдущей стадии. В результате с каждой последующей стадией повышается степень очистки воды.Improving the quality of water purification, with large volumes of the latter, is achieved due to the multi-stage purification carried out sequentially at several stages similar to each other. At each subsequent stage, water is already partially purified from heavy isotopes and the actions similar to those carried out in the previous stage are repeated. As a result, the degree of water purification increases with each subsequent stage.
Оставшийся в емкости после слива очищенной воды лед, имеющий повышенное содержание тяжелых изотопов, растапливают и возвращают на предыдущую стадию очистки, что позволяет получить сырье для извлечения «концентрированной» тяжелой воды. Так, при обычной одноступенчатой очистке концентрация тяжелых изотопов в удаляемом льду невелика, 4-5%. В заявляемом же решении, вода, подвергаемая очистке на первой стадии, в результате действий возврата растопленного льда с предыдущей стадии, имеет гораздо более высокую концентрацию тяжелых изотопов. В результате выделяемая в виде льда тяжелая вода также характеризуется повышенной концентрацией тяжелых изотопов. Именно такая тяжелая вода может быть использована для промышленных целей, в частности, в атомной энергетике.The ice remaining in the tank after draining the purified water, having a high content of heavy isotopes, is melted and returned to the previous purification stage, which allows obtaining raw materials for the extraction of "concentrated" heavy water. So, during the usual single-stage cleaning, the concentration of heavy isotopes in the removed ice is low, 4-5%. In the claimed solution, the water subjected to purification in the first stage, as a result of the return of melted ice from the previous stage, has a much higher concentration of heavy isotopes. As a result, heavy water released in the form of ice is also characterized by an increased concentration of heavy isotopes. It is such heavy water that can be used for industrial purposes, in particular, in nuclear energy.
Таким образом, заявляемый способ не только позволяет повысить качество очистки воды, как выходного продукта, но и получить дополнительный выходной продукт - «концентрированную» тяжелую воду, являющуюся «отходным» продуктом очистки, что не достигается другими известными способами очистки воды.Thus, the claimed method not only improves the quality of water purification as an output product, but also to obtain an additional output product - "concentrated" heavy water, which is a "waste" purification product, which is not achieved by other known methods of water purification.
На каждой стадии осуществляют перемешивание воды, что способствует выравниванию температуры по всему объему емкости и обеспечению условий выделения в твердую фазу тяжелой воды равномерно по всему объему.At each stage, the mixing of water is carried out, which helps to equalize the temperature throughout the volume of the tank and ensure conditions for the release of heavy water into the solid phase evenly throughout the volume.
Оптимальное количество стадий составляет 3÷5 и определяется необходимой степенью очистки.The optimal number of stages is 3 ÷ 5 and is determined by the required degree of purification.
Для осуществления многоступенчатой очистки предлагаемая система содержит последовательно размещенные однородные элементы - бассейны для охлаждения воды, оснащенные средствами перемешивания, нагрева и охлаждения и связанные между собой системой подводящих и отводящих трубопроводов.For the implementation of multi-stage cleaning, the proposed system contains consistently placed homogeneous elements - pools for cooling water, equipped with means of mixing, heating and cooling and interconnected by a system of inlet and outlet pipelines.
Для возможности использования при замораживании воды естественных климатических условий конструкция бассейнов предполагает наличие легкого перекрытия, которое может убираться, открывая доступ к воде холодного атмосферного воздуха (зимой). Однако не исключена и возможность принудительного охлаждения.In order to be able to use natural climatic conditions when freezing water, the design of the pools requires a light overlap that can be removed, opening up access to cold atmospheric air (in winter). However, the possibility of forced cooling is not excluded.
Растапливание льда возможно как в естественных условиях, например при закрытии подвижного перекрытия бассейна и прекращении доступа холодного атмосферного воздуха, так и с применением принудительного обогрева.Melting of ice is possible both in natural conditions, for example, when closing a movable ceiling of a pool and stopping access to cold atmospheric air, or using forced heating.
Очищенную от тяжелых изотопов, облегченную воду направляют на полное замораживание для последующего получения из нее талой воды. Для полного замораживания очищенной воды используют дождевальные установки, например известные аппараты зимнего дождевания. Ледяной массив формируют в льдохранилище, которое имеет, предпочтительно пирамидальную форму.Purified from heavy isotopes, light water is sent to complete freezing for the subsequent receipt of melt water from it. To completely freeze purified water, sprinklers are used, for example, well-known winter sprinklers. An ice mass is formed in the ice storage, which has, preferably a pyramidal shape.
Наклон стенок такого льдохранилища способствует хорошему восприятию тепла и его теплопередачи ко льду. Пирамидальная форма хранилища, с расширением стенок книзу, обеспечивает возможность естественного и постепенного опускания массы льда.The inclination of the walls of such an ice storage contributes to a good perception of heat and its heat transfer to ice. The pyramidal shape of the storage, with the walls expanding downward, provides the possibility of a natural and gradual lowering of the mass of ice.
Угол наклона боковых граней (стенок) льдохранилища к его основанию предпочтительно составляет 70,5°±0,5°. Выбор упомянутого угла наклона обусловлен тем, что кристаллиты льда представляют собой пространственные многогранные фигуры с углом между гранями 70,5°. Последнее объясняется формой элементарной ячейки воды, представляющей собой тетраэдр, содержащий связанные между собой водородными связями пять молекул воды H2O. При этом у каждой из молекул воды в простых тетраэдрах сохраняется способность образовывать водородные связи, за счет которых простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя разнообразные пространственные фигуры, базовой из которых является гексагональная (шестигранная) структура, когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединены в кольцо (материалы энц. Википедия). Такой тип структуры характерен для льда, снега и талой воды, а характерным углом между гранями является угол в 70,5°.The angle of inclination of the side faces (walls) of the ice storage to its base is preferably 70.5 ° ± 0.5 °. The choice of the mentioned angle of inclination is due to the fact that the ice crystallites are spatial polyhedral figures with an angle between the faces of 70.5 °. The latter is explained by the shape of the unit cell of water, which is a tetrahedron containing five water molecules H 2 O linked by hydrogen bonds. Moreover, each of the water molecules in simple tetrahedra retains the ability to form hydrogen bonds, due to which simple tetrahedra can be joined together by vertices , edges or faces, forming a variety of spatial shapes, the base of which is a hexagonal (hexagonal) structure, when six water molecules (tetrahedrons) are combined into tso (materials enz. Wikipedia). This type of structure is characteristic of ice, snow and melt water, and a characteristic angle between the faces is an angle of 70.5 °.
Благодаря тому, что наклон стенок пирамиды в 70,5° к горизонту соответствует углу ледяной горы при таянии, таяние льда в таком льдохранилище идет с образованием равномерного воздушного промежутка между льдом и стенкой, что способствует прохождению процесса таяния без обрушения массива льда. Талая вода, двигаясь сверху вниз, всегда попадает на нерастаявший лед и вынуждена двигаться между его частицами, при этом происходит многократная сепарация, разделение воды: молекулы тяжелой воды примерзают к частицам льда, а молекулы легкой воды вымываются изо льда. В результате к основанию пирамиды приходит дополнительно облегченная вода, а во льду концентрируется тяжелая вода.Due to the fact that the inclination of the walls of the pyramid at 70.5 ° to the horizon corresponds to the corner of the ice mountain during melting, the ice melts in such an ice storage with the formation of a uniform air gap between the ice and the wall, which contributes to the passage of the melting process without collapse of the ice mass. Melt water, moving from top to bottom, always falls on un-melted ice and is forced to move between its particles, with multiple separation and separation of water: heavy water molecules freeze to ice particles, and light water molecules are washed out of ice. As a result, additional light water comes to the base of the pyramid, and heavy water is concentrated in the ice.
При большем угле наклона происходит обрушение льда, и воздушный промежуток забивается. В результате талая вода спускается по стенке и, вследствие пористости последней, проникает наружу и испаряется, охлаждая стенку. Все это удлиняет сроки оттаивания и способствует образованию высолов на стене.At a larger angle, the ice collapses and the air gap becomes clogged. As a result, melt water descends along the wall and, due to the porosity of the latter, penetrates outward and evaporates, cooling the wall. All this lengthens the thawing time and contributes to the formation of efflorescence on the wall.
При угле наклона менее 70°, снижается объем и высота ледяного массива, в результате чего уменьшается путь талой воды через лед и снижается эффективность ее разделения (сепарации) на тяжелую и легкую воду.When the angle of inclination is less than 70 °, the volume and height of the ice mass decreases, as a result of which the path of melt water through the ice decreases and the efficiency of its separation (separation) into heavy and light water decreases.
Перекрытие бассейна может быть выполнено из двух полусфер, одна из которых установлена стационарно, а другая - с возможностью поворота на пол-оборота с заходом под первую полусферу.Overlapping the pool can be made of two hemispheres, one of which is installed stationary, and the other with the possibility of rotation by half a turn with entry under the first hemisphere.
Для возможности принудительного нагрева (и охлаждения) бассейны оборудованы системой труб, вмонтированных в стенки и дно бассейна. По трубам, в зависимости от необходимости осуществляется либо подача теплой воды, предпочтительно бросовой воды электростанций или геотермальных источников, либо хладагента. Линия слива тяжелой воды из первого бассейна соединена с накопителем тяжелой воды.To enable forced heating (and cooling), the pools are equipped with a system of pipes mounted in the walls and bottom of the pool. Pipes, depending on the need, are either supplied with warm water, preferably waste water from power plants or geothermal sources, or refrigerant. The heavy water discharge line from the first basin is connected to the heavy water storage device.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Сущность изобретения поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where
на фиг.1 - технологическая схема предлагаемой системы очистки воды;figure 1 - technological scheme of the proposed water purification system;
на фиг.2 - бассейн для охлаждения воды, общий вид;figure 2 - pool for cooling water, General view;
на фиг.3 - вид А с фиг.2;figure 3 is a view a from figure 2;
на фиг.4 - представлена таблица результатов лабораторных исследований образцов воды.figure 4 - presents a table of the results of laboratory tests of water samples.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Система очистки воды (см. фиг.1) содержит каскад 1 из бассейнов (Б1-Бn) и установку 2 для получения талой воды.The water purification system (see figure 1) contains a
Бассейны (Б1-Бn) последовательно сообщены между собой линиями 3 слива незамерзшей воды и линиями 4 возврата тяжелой воды (растопленного льда), в которых могут быть установлены аккумулирующие емкости 5 для тяжелой воды.Pools (B 1 -B n ) are sequentially interconnected by
Первый в последовательном каскаде бассейн Б1 имеет линию 6 слива тяжелой воды, связанную с накопителем тяжелой воды 7. Последний бассейн Бn соединен линией 3 слива незамерзшей воды с установкой 2 для получения талой воды, включающей аппараты 8 дождевания и льдохранилище 9 пирамидальной формы, с углом а наклона боковых граней к основанию, составляющим около 70,5°.The first pool B 1 in the sequential cascade has a heavy
Бассейны (Б1-Бn) для охлаждения воды выполнены (см. фиг.2-3) в виде однотипных сооружений 10 с подвижным перекрытием, образованным из двух полусфер 11 и 12, одна из которых установлена стационарно, а другая - с возможностью смещения (поворота) на пол-оборота под первую, что обеспечивает доступ атмосферного воздуха во внутреннее пространство бассейна. Каждый бассейн оснащен перемешивающим устройством 13 и средствами принудительного нагрева и охлаждения (не показаны). Средства принудительного нагрева и охлаждения могут быть выполнены в виде вмонтированных в дно и стенки бассейна труб для подачи теплоносителя или хладагента. Возможно также использование электрических нагревателей.Pools (B 1 -B n ) for cooling water are made (see Fig.2-3) in the form of structures of the
Для определения наиболее оптимального и экономически целесообразного периода охлаждения воды были проведены лабораторные исследования образцов воды, взятых на разных стадиях заморозки, результаты исследований приведены в таблице (фиг.4).To determine the most optimal and economically feasible period of water cooling, laboratory studies of water samples taken at different stages of freezing were carried out, the research results are shown in the table (figure 4).
Для лабораторных исследований были представлены следующие образцы: образец №1 - обычная водопроводная вода (без очистки), образец №2 - вода после однократной заморозки с образованием 6% льда, образец №3 - вода после однократной заморозки с образованием 10% льда, образец №4 - вода после однократной заморозки с образованием 15% льда, образец №5 - вода после однократной заморозки и образования 20% льда, образец №6 - вода после однократной заморозки и образования 25% льда, образец №7 - растопленный лед, полученный при переходе в лед 15% воды.For laboratory studies, the following samples were presented: sample No. 1 - ordinary tap water (without purification), sample No. 2 - water after a single freeze with the formation of 6% ice, sample No. 3 - water after a single freeze with the formation of 10% ice, sample No. 4 - water after a single freeze with the formation of 15% ice, sample No. 5 - water after a single freeze and the formation of 20% ice, sample No. 6 - water after a single freeze and the formation of 25% ice, sample No. 7 - melted ice obtained upon transition 15% of water in ice.
Лабораторные исследования образцов воды проводились методом изотопного анализа кислорода и водорода воды (δ18О и δD) в лаборатории стабильных изотопов. Подготовка проб воды осуществлялась стандартным методом высокотемпературного пиролиза воды на углероде. Для определения изотопных отношений 18О/16О и D/H в образцах воды использовали высокотемпературный конвертер ТС/ЕА (ThermoQuest, Bremen, Germany) соединенный с изотопным масс-спектрометром MAT 253 (ThermoQuest, Bremen, Germany), работающий в режиме непрерывного потока гелия.Laboratory studies of water samples were carried out by the method of isotopic analysis of oxygen and hydrogen in water (δ 18 O and δD) in the laboratory of stable isotopes. The preparation of water samples was carried out by the standard method of high-temperature pyrolysis of water on carbon. To determine the 18 O / 16 O and D / H isotopic ratios in water samples, a TC / EA high-temperature converter (ThermoQuest, Bremen, Germany) connected to a MAT 253 isotope mass spectrometer (ThermoQuest, Bremen, Germany) operating in continuous flow mode was used helium.
Результаты измерений δD и δ18О приведены в отношении к международному стандарту VSMOW. Погрешность определения δD и δ18О (2σ) составила 0.8o/oо и 0.2o/oo (n=5) соответственно.The measurement results of δD and δ 18 O are given in relation to the international standard VSMOW. The error in determining δD and δ 18 O (2σ) was 0.8 o / oo and 0.2 o / oo (n = 5), respectively.
Как видно из таблицы, результаты лабораторных исследований воды, оставшейся после перехода в лед 6% воды (образец №2), существенно не отличаются от результатов анализа простой водопроводной воды (образец №1).As can be seen from the table, the results of laboratory tests of the water remaining after 6% of the water left in the ice (sample No. 2) do not significantly differ from the results of the analysis of simple tap water (sample No. 1).
При переходе в лед 25% от начального объема воды (образец №6) существенного повышения качества очистки воды, по сравнению с образцом, где льда было 20%, уже не происходит, что делает неоправданными, экономически нецелесообразными затраты электроэнергии на охлаждение воды, т.к. они не приносят существенных результатов.When passing to ice 25% of the initial volume of water (sample No. 6), a significant improvement in the quality of water treatment does not occur compared to the sample where ice was 20%, which makes the cost of electricity for cooling water unreasonable, economically impractical, t. to. they do not bring significant results.
Наилучшие результаты очистки воды от тяжелых изотопов показывают образцы №3, №4 и №5.The best results of water purification from heavy isotopes show samples No. 3, No. 4 and No. 5.
Таким образом, при переходе в лед 10-20% воды от ее первоначального объема происходит наибольший переход в лед тяжелых изотопов, что действительно для любой стадии очистки воды. Отличается лишь числовое выражение процентного содержания выделенной тяжелой фракции, которое уменьшается с каждой последующей стадией.Thus, when 10-20% of the water is transferred to ice from its original volume, the largest transition to heavy isotopes of ice occurs, which is valid for any stage of water purification. Only the numerical expression of the percentage of the selected heavy fraction differs, which decreases with each subsequent stage.
Способ очистки воды осуществляют следующим образом.The method of water purification is as follows.
Заполняют бассейн Б1 водой из пруда-накопителя 14, открывают перекрытие бассейна, поворачивая полусферу 12, для обеспечения доступа холодного атмосферного воздуха. Охлаждают воду до t=0+3°С и выдерживают при упомянутой температуре, осуществляя постоянное перемешивание. В процессе такой выдержки происходит переход в лед части воды, отличающейся повышенным содержанием тяжелых изотопов, имеющих температуру замерзания около +3,8°С.Fill the pool B 1 with water from the storage pond 14, open the overlap of the pool, turning the
Когда объем льда составит около 10-20% от первоначального объема воды в бассейне, производят слив незамерзшей, «облегченной» воды в бассейн Б2.When the volume of ice is about 10-20% of the initial volume of water in the pool, the unfrozen, “lightened” water is drained into pool B 2 .
Контроль и измерение количества воды, переходящей в лед, осуществляется путем контроля общего объема воды в резервуаре. Известно, что при замораживании 100 объемов воды дают 109 объемов льда, т.е. объем воды увеличивается на 9% при переходе в лед. Таким образом, при переходе в лед 10% воды общий объем увеличится на 0,9%, а при переходе в лед 15% и 20% воды объем увеличится, соответственно на 1,35% и 1,8%.Monitoring and measuring the amount of water passing into the ice is carried out by monitoring the total volume of water in the tank. It is known that when frozen, 100 volumes of water give 109 volumes of ice, i.e. the volume of water increases by 9% upon transition to ice. Thus, when 10% of water goes into ice, the total volume will increase by 0.9%, and when 15% and 20% of water goes into ice, the volume will increase by 1.35% and 1.8%, respectively.
Стенки резервуара жесткие и изменение объема отразится только на уровне воды - высоте заполнения резервуара. Зная начальную высоту заполнения резервуара, можно методом несложных математических вычислений определить, что например, при начальной высоте заполнения 3 м, при переходе в лед 15% воды, ее уровень в резервуаре поднимется на 40,5 мм. Увеличение уровня воды в резервуаре определяют датчиком уровня (на чертежах не показан).The walls of the tank are rigid and the change in volume will only affect the water level - the height of the tank. Knowing the initial filling height of the tank, one can determine by the method of simple mathematical calculations that, for example, with an initial filling height of 3 m, when 15% of the water goes into ice, its level in the tank will rise by 40.5 mm. The increase in water level in the tank is determined by a level sensor (not shown in the drawings).
После слива очищенной воды, оставшийся в бассейне Б1 лед с повышенным содержанием тяжелых изотопов растапливают: либо за счет естественного потепления, при закрывании подвижного перекрытия бассейна и прекращении доступа атмосферного воздуха, либо за счет принудительного обогрева бассейна путем подвода теплоносителя по трубам. Полученную в результате таяния льда тяжелую воду сливают в накопитель 7 по линии 6 слива тяжелой воды.After draining the purified water, the remaining ice in the B 1 basin with a high content of heavy isotopes is melted: either due to natural warming, when closing the movable ceiling of the pool and stopping the access of atmospheric air, or due to forced heating of the pool by supplying coolant through pipes. The heavy water resulting from melting ice is poured into the
Производят повторное охлаждение воды в бассейне Б2, при этом последовательность операций, аналогична действиям, проведенным в первом бассейне. Незамерзшую воду из бассейна Б2 направляют на последующую стадию, а растопленный лед, представляющий собой воду с повышенным содержанием тяжелых изотопов, возвращают на предыдущую стадию - в бассейн Б1, вместе с новой порцией заливаемой в него воды. В результате чего повышается концентрация тяжелой воды в образующемся льду на этой стадии.The water is re-cooled in pool B 2 , and the sequence of operations is similar to the actions carried out in the first pool. Non-frozen water from pool B 2 is sent to the next stage, and melted ice, which is water with a high content of heavy isotopes, is returned to the previous stage - to pool B 1 , along with a new portion of the water poured into it. As a result, the concentration of heavy water in the formed ice increases at this stage.
После каждого замораживания концентрация тяжелых изотопов в воде уменьшается. Таким образом, происходит многоступенчатая очистка воды от тяжелой воды, что позволяет добиться ее качественной очистки.After each freezing, the concentration of heavy isotopes in water decreases. Thus, there is a multi-stage purification of water from heavy water, which allows to achieve its high-quality purification.
Незамерзшую очищенную воду с последней стадии очистки (бассейна Бn) направляют в установку 2, где облегченную воду замораживают любым известным способом, например, устраивая высокий фонтан, используя известные установки типа «Град» (зимой), либо в формах. Полученный лед складируют в льдохранилище 9.Non-frozen purified water from the last stage of treatment (basin B n ) is sent to
Для получения талой воды осуществляют таяние льда в льдохранилище 9 при t примерно 0+1°C, предпочтительно используя естественные природные климатические факторы. Однако не исключена возможность использования принудительного нагрева.To obtain melt water, ice is thawed in the ice storage 9 at t about 0 + 1 ° C, preferably using natural climatic factors. However, the possibility of using forced heating is not ruled out.
Пирамидальная форма льдохранилища и угол наклона его стенок способствует хорошему восприятию естественного тепла и его теплопередаче ледяному массиву, который под действием этого тепла постепенно опускается. При этом между стенкой и льдом образуется воздушный зазор, который обеспечивает возможность конвекции воздуха. Теплый воздух поднимается к верху пирамиды, прогревая в первую очередь верхушку ледяного массива, благодаря чему таяние льда происходит сверху. Талая вода, двигаясь сверху вниз, попадает на нерастаявший лед, двигаясь между его частицами. В процессе такого перемещения молекулы тяжелой воды примерзают к частицам льда, а молекулы легкой воды вымываются изо льда.The pyramidal shape of the ice storage and the angle of inclination of its walls contributes to a good perception of natural heat and its heat transfer to the ice mass, which gradually falls under the influence of this heat. In this case, an air gap is formed between the wall and ice, which allows air convection. Warm air rises to the top of the pyramid, warming up first of all the top of the ice massif, due to which the ice melts from above. Melt water, moving from top to bottom, falls on un-melted ice, moving between its particles. During this movement, heavy water molecules freeze to ice particles, and light water molecules are washed out of ice.
В результате к основанию пирамиды приходит дополнительно облегченная чистая талая вода, которая удаляется из процесса для последующего использования, а во льду концентрируется тяжелая вода. Последний нерастаявший в льдохранилище лед, около 2-5%, имеет более высокую концентрацию тяжелой изотопной формы, т.е. содержит повышенное количество тяжелых изотопов. Поэтому растапливают последний лед, удаляя полученную тяжелую воду в отдельную емкость и далее в накопитель 7 тяжелой воды.As a result, an additional lightweight clean melt water comes to the base of the pyramid, which is removed from the process for subsequent use, and heavy water is concentrated in the ice. The last non-melted ice in the ice storage, about 2-5%, has a higher concentration of heavy isotopic form, i.e. contains an increased amount of heavy isotopes. Therefore, the last ice is melted, removing the resulting heavy water in a separate tank and then into the
Размещение нагревательных элементов в основании пирамиды льдохранилища позволяет ускорить процесс таяния и удаления упомянутого льда.Placing the heating elements at the base of the ice storage pyramid allows you to accelerate the process of melting and removal of the mentioned ice.
Накопленная в накопителе 7 тяжелая вода с повышенной концентрацией тяжелых изотопов направляется для дальнейшей переработки и использования в промышленных целях.The heavy water accumulated in the
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012103187/05A RU2496720C2 (en) | 2012-01-27 | 2012-01-27 | Water treatment method and system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012103187/05A RU2496720C2 (en) | 2012-01-27 | 2012-01-27 | Water treatment method and system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012103187A RU2012103187A (en) | 2013-08-10 |
| RU2496720C2 true RU2496720C2 (en) | 2013-10-27 |
Family
ID=49159144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012103187/05A RU2496720C2 (en) | 2012-01-27 | 2012-01-27 | Water treatment method and system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2496720C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2554145C2 (en) * | 2013-11-06 | 2015-06-27 | Геннадий Леонидович Багич | Device to produce deuterium ice in potable water |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU93032349A (en) * | 1993-06-21 | 1996-07-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт НПО "Виогем" | METHOD FOR PROCESSING MINERALIZED WATER (DISSOLUTION) |
| US5555747A (en) * | 1994-07-28 | 1996-09-17 | Polar Spring Corporation | Control of crystal growth in water purification by directional freeze crystallization |
| RU2128144C1 (en) * | 1997-08-08 | 1999-03-27 | Марков Василий Степанович | Potable water purification plant |
| RU2255902C1 (en) * | 2003-10-14 | 2005-07-10 | Конторович Игорь Иосифович | Water desalination installation |
| RU2274607C2 (en) * | 2003-02-17 | 2006-04-20 | Евгений Николаевич Высоцкий | Method of purification of water and the installation for its realization |
| RU2404131C2 (en) * | 2009-01-19 | 2010-11-20 | Сергей Анатольевич Сандимиров | Method and device for purifying water |
-
2012
- 2012-01-27 RU RU2012103187/05A patent/RU2496720C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU93032349A (en) * | 1993-06-21 | 1996-07-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт НПО "Виогем" | METHOD FOR PROCESSING MINERALIZED WATER (DISSOLUTION) |
| US5555747A (en) * | 1994-07-28 | 1996-09-17 | Polar Spring Corporation | Control of crystal growth in water purification by directional freeze crystallization |
| RU2128144C1 (en) * | 1997-08-08 | 1999-03-27 | Марков Василий Степанович | Potable water purification plant |
| RU2274607C2 (en) * | 2003-02-17 | 2006-04-20 | Евгений Николаевич Высоцкий | Method of purification of water and the installation for its realization |
| RU2255902C1 (en) * | 2003-10-14 | 2005-07-10 | Конторович Игорь Иосифович | Water desalination installation |
| RU2404131C2 (en) * | 2009-01-19 | 2010-11-20 | Сергей Анатольевич Сандимиров | Method and device for purifying water |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2554145C2 (en) * | 2013-11-06 | 2015-06-27 | Геннадий Леонидович Багич | Device to produce deuterium ice in potable water |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012103187A (en) | 2013-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102583848B (en) | Seawater freezing and desalting system based on liquefied natural gas cold energy and desalting method thereof | |
| RU2274607C2 (en) | Method of purification of water and the installation for its realization | |
| CN102161516A (en) | Method for desalting and purifying sewage through refrigeration and centrifugation and device thereof | |
| CN203513300U (en) | Preparation system of high-purity lithium carbonate | |
| RU2496720C2 (en) | Water treatment method and system | |
| CN102387994A (en) | Water purification method and device for carrying out said method | |
| RU192027U1 (en) | HEAT EXCHANGE DEVICE FOR WATER TREATMENT SYSTEM BY RECRYSTALLIZATION METHOD | |
| CN103482660A (en) | Method and system for preparing high-purity lithium carbonate | |
| RU2571799C2 (en) | Method of production of water for drinking needs from snow and (or) ice | |
| RU83068U1 (en) | WATER TREATMENT UNIT | |
| CN203728593U (en) | Multifunctional integrated industrial device for preparing high-purity lithium carbonate | |
| RU2711357C1 (en) | System of water purification by recrystallisation and heat exchange device for system | |
| RU2351542C1 (en) | Water purifier | |
| Soni et al. | Experimental & modeling studies on novel scraped surface falling film crystallizer for freeze desalination | |
| RU2833534C1 (en) | Method of freezing ice and ice generator device for its implementation | |
| Ahmed et al. | Treatment of highly saline brines using a static freeze crystallisation process | |
| CN213570672U (en) | Hierarchical heating constant-temperature adsorption and desorption equipment for collecting rubidium lithium | |
| CN213570656U (en) | Be suitable for energy-conserving constant temperature adsorption equipment of gathering rubidium lithium | |
| KR101220864B1 (en) | Salt method and salt fabrication apparatus using the bio salt and solar energy | |
| CN104386769B (en) | Method for selectively extracting salt from high-salinity organic wastewater | |
| RU2344092C2 (en) | Water treatment method and plant | |
| TWM642200U (en) | Mass production system of deep ocean water desalination for people's livelihood | |
| CN223628621U (en) | Automated dichloromethane dewatering unit | |
| RU2786296C1 (en) | Heat exchanger for water purification system by recrystallization method | |
| CN209778363U (en) | Vacuum sublimation evaporation freezing sea water desalination equipment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160128 |