способ очистки воды

Формула изобретения

Способ очистки воды путем воздействия излучения электрического разряда и последующего воздействия химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды, отличающийся тем, что воду предварительно смешивают с кислородсодержащим газом, содержащим азот, 50÷70 об.% кислорода и 3÷20 об.% аргона, криптона или гелия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании новых установок для очистки и обеззараживания воды повышенной производительности с низкими энергозатратами на обработку воды.

Известен способ очистки воды путем воздействия излучения электрического разряда и последующего воздействия химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде непосредственно в смеси воды с кислородсодержащим газом (П. 2233244 РФ, МКИ С02F 1/46. Реактор для обработки жидкостей / Б.Г.Шубин., М.Б.Шубин // Заявл. 22.04.03., Опубл. 27.07.04. БИМП №35).

Недостатком способа очистки воды являются высокие энергозатраты на обработку воды, что обусловлено отрицательным шунтирующим влиянием электрических водных перемычек, периодически образующихся в разрядном промежутке, что приводит к значительным дополнительным потерям энергии.

Известен способ очистки воды путем воздействия излучения электрического разряда и последующего воздействия химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды (Воздействие факельного разряда на воду / В.М.Лелевкин, А.В.Токарев и др. // Тез. докл. конф., посвящ. воде: Экология и технология (ЭКВАТЭК-98). М., 26-30 мая 1998 г. Изд. «СИБИКО И.», 1998. - С.660).

Недостатком способа очистки воды являются высокие энергозатраты на обработку воды, что обусловлено низкой интенсивностью излучения и малым выходом химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде используемой формы, а также низкой эффективностью воздействия на обрабатываемую воду основных факторов электрического разряда (воздействие осуществляется фактически только на поверхностный слой обрабатываемой воды).

Известен способ очистки воды путем воздействия излучения электрического разряда и последующего воздействия химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды (Пискарев И.М., Аристова Н.А. Генерирование озоно-гидроксильной смеси и ее применение // Тез. докл. конф., посвящ. озону и другим экологически чистым окислителям. М., 7-9 июня 2005 г. Изд. «Книжный дом Университет», 2005. - С.184).

Указанный способ очистки воды является наиболее близким по технической сущности к изобретению и рассматривается в качестве прототипа.

Недостатком способа очистки воды являются высокие энергозатраты на обработку воды, что обусловлено низкой интенсивностью излучения и малым выходом химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде используемой формы, а также низкой эффективностью воздействия на обрабатываемую воду основных факторов электрического разряда (воздействие осуществляется фактически только на поверхностный слой обрабатываемой воды).

Изобретение направлено на решение задачи снижения энергозатрат на обработку воды, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в способе очистки воды путем воздействия излучения электрического разряда и последующего воздействия химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды, воду предварительно смешивают с кислородсодержащим газом, содержащим азот, 50÷70% об. кислорода и 3÷20% об. аргона, криптона или гелия.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является снижение энергозатрат на обработку воды, что достигается повышением интенсивности излучения электрического разряда, интенсификацией процессов синтеза и увеличением выхода химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде, более эффективным и полным использованием всех активных факторов электрического разряда при обработке воды.

Снижение энергозатрат на обработку воды является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями, порядком их выполнения в заявляемом способе очистки воды, то есть отличительными признаками изобретения Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа очистки воды являются существенными.

На чертеже приведена функциональная схема реактора с элементами конструкции для реализации заявляемого способа очистки воды, поясняющая новый принцип осуществления электрического разряда в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью обрабатываемой воды. Реактор содержит резервуар 1, частично заполняемый обрабатываемой водой, с патрубками 2 для подвода исходной и отвода обработанной воды, с размещенным в нижней части диспергатором 3 для ввода в обрабатываемую воду кислородсодержащего газа, секционированный металлический электрод 4, установленный над обрабатываемой водой с промежутком 5, заполненным кислородсодержащим газом, источник питания 6, выводы которого подключены к секционированному металлическому электроду и контакту 7, помещенному в обрабатываемую воду.

Способ очистки воды реализуется следующими действиями. Кислородсодержащий газ подвергается предварительной очистке, подготовке по составу (объемные доли =(100- - )% азота, =50÷70% кислорода и =3÷20% аргона, криптона или гелия) и охлаждению. Инертные газы аргон, криптон и гелий включаются в состав кислородсодержащего газа в любом соотношении, а также в виде единственного компонента, например, только гелий. При этом совокупная объемная доля инертного газа (смеси инертных газов) составляет 3÷20%. Азот (и возможные технические примеси) составляют оставшуюся часть газовой смеси в объемной доле не более 47%.

Подготовленный газ вводится в воду через диспергатор 3 в нижней части резервуара 1. Ввод кислородсодержащего газа в приведенной конструкции осуществляется путем его подачи через пористый элемент диспергатора 3 с размерами пор, обеспечивающими при заданном давлении кислородсодержащего газа однородное смешивание кислородсодержащего газа и обрабатываемой воды с заданными размерами пузырьков газа. Электрический разряд развивается в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды, а также в газовых пузырьках в слое обрабатываемой воды. Очистка воды осуществляется путем воздействия совокупности основных факторов электрического разряда (ультрафиолетовое излучение, химически активные вещества и радикалы, в том числе озон, образующиеся в электрическом разряде, электрическое поле, давление, температура, ультразвук, кавитация). Важную роль играют процессы фотодиссоциации кислорода и фотосинтеза озона ультрафиолетовым излучением разряда в инертных газах.

Избыточное давление кислородсодержащего газа составляет 0,06÷0,09 МПа. Диспергатор 3 выполняется из металлокерамики или нержавеющей стали с размерами пор 30÷100 мкм.

Реактор для реализации способа очистки воды работает следующим образом. Под действием внешнего напряжения источника питания 6, приложенного между секционированным металлическим электродом 4 и поверхностью обрабатываемой воды, которая выполняет роль второго электрода, в тонком газовом слое промежутка 5 между секционированным металлическим электродом 4 и поверхностью воды возбуждается электрический разряд. Разряд имеет структуру отдельных локальных разрядов, привязанных к поверхностям секций секционированного металлического электрода 4, как в промежутке, так и газовых пузырьках в слое обрабатываемой воды. В локальных разрядах происходит диссоциация молекул кислорода. Образующиеся в результате диссоциации атомы кислорода взаимодействуют с молекулами кислорода, в результате чего образуются молекулы озона. Одновременно атомарный кислород сам является химически активным, и часть его участвует в окислительных реакциях самостоятельно, так как имеют место условия для оперативного воздействия кислородсодержащего газа на обрабатываемую воду и осуществления в ней окислительных реакций. Другим химически активным радикалом, который образуется в электрическом разряде, является гидроксильный радикал. Гидроксильный радикал один из самых сильных известных окислителей. Так как электрический разряд возбуждается непосредственно в промежутке над поверхностью воды, а также в пузырьках кислородсодержащего газа в слое обрабатываемой воды, и имеют место интенсивные массообменные процессы, возможен быстрый перевод всех химически активных веществ и радикалов, способных участвовать в реакциях с примесями, в обрабатываемую воду. Развитие электрического разряда в пузырьках газа заявляемого состава в слое воды существенно повышает эффективность синтеза химически активных веществ и радикалов, в том числе озона, способных участвовать в реакциях с примесями в обрабатываемой воде, а также эффективность их смешивания с водой, воздействия на примеси и проведения окислительных химических реакций. Электрический разряд в газе заявляемого состава является источником интенсивного ультрафиолетового излучения, в том числе и в вакуумной области. Осуществление электрического разряда в пузырьках кислородсодержащего газа непосредственно в слое воды позволяет эффективно использовать ультрафиолетовое излучение для интенсификации, как электрического разряда, так и синтеза химически активных веществ и радикалов, в том числе озона, а также проведения окислительных реакций в обрабатываемой воде. Добавление в кислородсодержащий газ инертных газов (аргона, криптона или гелия) обеспечивает снижение напряжения зажигания электрического разряда. Электрический разряд в инертных газах (аргоне, криптоне или гелии) является источником ультрафиолетового излучения с оптимальными длинами волн, интенсифицирующего процессы, как в самом электрическом разряде, так и синтеза химически активных веществ и радикалов, в том числе озона, способных участвовать в реакциях с примесями в обрабатываемой воде. Электрический разряд заявляемой формы характеризуется высокой стабильностью. Предварительная очистка и охлаждение кислородсодержащего газа повышают равномерность и стабильность электрического разряда в разрядном промежутке и в пузырьках кислородсодержащего газа в слое обрабатываемой воды.

Кислородсодержащий газ поступает в разрядный промежуток через поры в структуре пористого элемента диспергатора 3. Кислородсодержащий газ внутрь пористого элемента диспергатора 3 подается под избыточным давлением. Изменением величины избыточного давления кислородсодержащего газа возможны стабилизация и регулирование процесса обработки воды и параметров электрического разряда. Ввод в реактор и вывод из реактора обрабатываемой воды осуществляется через патрубки 2 в резервуаре 1.

Возможен вариант предварительного смешивания воды с кислородсодержащим газом вне зоны реактора, например, в отдельном резервуаре любым из известных способов (барботирование, эжектирование, противоточная абсорбция). После смешивания с газом подготовленная вода подается в реактор, где обрабатывается электрическим разрядом.

Обработку воды с исходным ХПК 2100 мг/дм ³ в реакторе рассмотренной конструкции производили при следующих параметрах: состав кислородсодержащего газа в объемных долях азота 33%, кислорода 60%, аргона 7%; избыточное давление кислородсодержащего газа 0,07 МПа; расстояние между электродами и поверхностью воды 10 мм, напряжение источника питания 15 кВ. Диспергатор был выполнен из нержавеющей стали и имел размер пор 60 мкм.

При обработке 1 м³ воды и мощности источника питания около 10 кВт одинаковый результат снижения ХПК достигается при 1 ч работы установки с подготовленным кислородсодержащим газом и 2,7 ч работы при отключенном диспергаторе (без предварительного смешивания воды с кислородсодержащим газом) с использованием обычного воздуха. Давление газа в промежутке между секционированным электродом и поверхностью воды поддерживалось постоянным.

По сравнению с прототипом имеет место существенное снижение энергозатрат на обработку воды, что достигается снижением дополнительных непроизводительных потерь энергии, интенсификацией излучения и процессов синтеза химически активных веществ и радикалов, более полным использованием всех активных факторов электрического барьерного разряда (ультрафиолетовое излучение в вакуумной области, химически активные вещества и радикалы, в том числе озон, образующиеся в электрическом разряде, электрическое поле, давление, температура, ультразвук, кавитация) при обработке воды, стабильностью и равномерностью новой формы электрического разряда в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным электродом и поверхностью воды и в газовых пузырьках в слое воды. Энергозатраты на обработку воды (по сравнению с прототипом) могут быть снижены 2,0÷2,5 раза.