Способ обработки водных сред, содержащих органические примеси

 

Изобретение предназначено для обеззараживания водных сред и удаления растворенных органических примесей из воды, а также для подготовки водных проб при проведении химического анализа примесей тяжелых металлов, мышьяка и других элементов. Способ включает подачу обрабатываемой среды в реактор и ее непосредственное контактирование с источником УФ-излучения - вакуумной ультрафиолетовой лампой на барьерном разряде, выполненной в виде двух коаксиально расположенных кварцевых трубок, запаянных с образованием кольцевой полости, наполненной инертным газом, и с размещенным продольно внутри меньшего цилиндра электродом, при этом лампу устанавливают коаксиально в реакторе, имеющем цилиндрическую форму, с зазором относительно его внутренней стенки, причем на внешней стенке реактора размещают второй электрод в виде цилиндрической сетки, электроды соединяют с источником питания, характеризующимся следующими выходными параметрами: напряжение 8 - 25 кВ, частота не менее 60 кГц, мощность не менее 300 Вт, а обработку водной среды ведут при подаче в кольцевой зазор между лампой и внутренней стенкой реактора воздуха под давлением. В частном случае может быть использована лампа, наполненная ксеноном, излучающая монохроматический пучок с длиной волны 172 нм и шириной полосы на полувысоте, соответствующей ±8 нм относительно максимума. Технический результат - сочетание простоты и доступности процесса с высокой эффективностью минерализации органических примесей в водных средах. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к обработке водных сред при помощи ультрафиолетового (УФ) излучения с целью их обеззараживания и удаления растворенных органических примесей и может быть использовано для очистки сточных и природных вод, в том числе для получения питьевой воды, а также для подготовки водных проб при проведении химического анализа примесей тяжелых металлов, мышьяка и других элементов.

Известен способ обработки воды путем ее подачи в аппарат, содержащий бактерицидную лампу УФ-излучения и защитный кварцевый чехол, установленные коаксиально. При работе аппарата лампа генерирует ультрафиолетовое излучение с длиной волны преимущественно 254 нм, в воздушном пространстве между лампой и чехлом образуется озон, который перемешивается с водой и окисляет растворенные в ней органические примеси (SU, авторское свидетельство, 1669869, C 02 F 1/32, 1989). Недостатками этого способа являются его невысокая производительность и невысокое качество обработки воды.

Большие возможности могут дать способы обработки, в которых ультрафиолетовую лампу помещают непосредственно в водную среду. Так, известен способ очистки водных сред от органических веществ, в частности, нефтепродуктов, согласно которому источник УФ-излучения - ртутную лампу ДТР-230 - вводят в водную среду. Обработку ведут при мощности излучения 11-55 Вт на мг примесей, (см. SU, авторское свидетельство, 1813723, C 02 F 1/32, 1993). Однако этот способ не обеспечивает глубокую очистку воды из-за низкой светоотдачи ртутной лампы в области длин волн, соответствующих условиям деструкции органических соединений.

Одним из методов повышения эффективности обработки воды является проведение ее в несколько стадий. Примером многостадийной обработки является способ, согласно которому предварительно очищают воду от механических примесей, затем облучают ультрафиолетовым светом в реакторе, содержащем короткоимпульсные лампы, и фильтруют. При этом предложено использовать реактор, в котором установлены 4 ксеноновые лампы ИНП-3/250, подключенные к блоку питания мощностью 2 кВт, обеспечивающему подачу электрических импульсов на лампы с частотой 25 Гц, напряжением 20 кВ и длительностью 1-2 мкс (RU, патент, 2054385, C 02 F 1/32, 1996). Однако этот способ требует достаточно сложного аппаратурного оформления и большого расхода электроэнергии, что во многих случаях не оправдано, например, когда концентрация органических примесей невелика.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ обработки водных сред при помощи источника УФ-излучения, помещенного в обрабатываемую среду и выполненного в виде прозрачной лампы, заполненной инертным газом, с электродами на концах, присоединенными к блоку питания, который содержит высоковольтный выпрямитель тока с напряжением 1-5 кВ, накопительный конденсатор, генератор высоковольтных импульсов и схему управления. При работе устройства в лампе образуется высокотемпературная плазма, излучение которой характеризуется сплошным спектром высокой интенсивности и позволяет разлагать растворенные органические соединения (RU, патент, 2031850, C 02 F 1/32, 1995).

Недостатком этого способа является необходимость использования сложного по конструкции блока питания и большие энергозатраты, а также нагрев обрабатываемой среды, который в ряде случае недопустим.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, являлась разработка относительно экономичного и простого в использовании способа, позволяющего с высокой эффективностью за короткое время минерализовать органические примеси в водных средах, особенно в случаях их небольших концентраций.

Поставленная задача решается тем, что способ обработки водных сред, содержащих органические примеси, включает подачу обрабатываемой среды в реактор и ее непосредственное контактирование с источником УФ-излучения - вакуумной ультрафиолетовой лампой на барьерном разряде, выполненной в виде двух коаксиально расположенных кварцевых трубок, запаянных с образованием кольцевой полости, наполненной инертным газом, с размещенным продольно внутри меньшего цилиндра электродом, при этом лампу устанавливают коаксиально в реакторе, имеющем цилиндрическую форму, с зазором относительно его внутренней стенки, причем на внешней стенке реактора размещают второй электрод в виде цилиндрической сетки, электроды соединяют с источником питания, характеризующимся следующими выходными параметрами: напряжение - 8-25 кВ, частота - не менее 60 кГц, мощность - не менее 300 Вт, а обработку водной среды ведут при подаче в кольцевой зазор между лампой и внутренней стенкой реактора воздуха, инертного газа или смеси инертных газов под давлением.

В частном случае может быть использована лампа, наполненная ксеноном, излучающая монохроматический пучок с длиной волны 172 нм и шириной полосы на полувысоте, соответствующей ±8 нм относительно максимума.

Предложенный способ может быть применен для водопробоподготовки с целью аналитического определения в водной среде тяжелых металлов, мышьяка и других элементов. Кроме того, способ можно рекомендовать для очистки воды, в том числе питьевой, от органических примесей.

При осуществлении способа растворенные в воде органические вещества разлагаются на нетоксичные соединения, преимущественно на CO₂ и H₂O. Кроме того, происходит уничтожение бактерий, вирусов и другой патогенной микрофлоры. Было установлено, что именно вакуумные ультрафиолетовые лампы (ВУФ) описанной выше конструкции, работающие от блока питания с указанными выше характеристиками, обеспечивают высокую интенсивность излучения в диапазоне длин волн, соответствующих оптимальным условиям деструкции органических соединений (α = 120-200 нм). Важно, чтобы источник излучения имел большую излучающую поверхность, находился в непосредственном контакте с обрабатываемой средой и чтобы происходило ее перемешивание и дополнительное окисление воздухом, подаваемым под давлением.

Таким образом, именно указанная в независимом пункте формулы совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение предусмотренного технического результата - сочетания простоты и доступности процесса с высокой эффективностью минерализации органических примесей в водных средах в течение небольшого промежутка времени.

Признаки изобретения, указанные в дополнительных пунктах, характеризуют частные случаи его осуществления и использования.

При осуществлении способа к электродам подводится электрическое питание, обеспечивающее зажигание "тихого" разряда на одном или двух диэлектрических барьерах. При зажигании барьерного разряда вся кольцевая полость между двумя трубчатыми (цилиндрическими) стенками лампы равномерно заполняется массой мельчайших искр. При этом происходит равномерное по объему образование возбужденных молекул инертного газа, которые, распадаясь, излучают непрерывный спектр в ВУФ области. ВУФ излучение выводится через всю внешнюю поверхность лампы.

На чертеже показана схема установки, при помощи которой может быть реализован предложенный способ.

Установка содержит реактор 1, внутри которого размещена ВУФ 2 с внутренним электродом 3 и внешним электродом 4, соединенными с источником питания (не показан). В зазор между внутренней стенкой реактора и лампой помещают обрабатываемую среду, в которую подают воздух под давлением по линии 5.

Пример.

Исследования проводили на установке, схематично изображенной на фиг. 1. В качестве источника питания использовали высоковольтный высокочастотный генератор ВВЧ-1, изготовленный 000 "ТЦ ДРОМОС". Генерируемая источником питания синусоидальная частота f = 60 кГц, диапазон регулируемого напряжения - 8-25 кВ, напряжение питания - 220 В при частоте тока 50 Гц, максимальный потребляемый ток - 3 А, потребляемая мощность - 300 Вт.

ВУФ имела следующие геометрические параметры - длина 165 мм, диаметр внешний - 20 мм, диаметр внутренний - 10 мм. Внутренний электрод (высоковольтный) представлял собой медную трубку, внешний (заземленный) электрод - сетку с заданным размером ячеек. Зазор между лампой и внутренней стенкой реактора составлял 2-3 мм.

В реактор помещали 50 мл бидистиллированной воды, содержащей растворенную желтую кислоту С-1-13.900 - ACID YELLOW-99.0 (см. Catalog Handbook of Fine Chemicals, USA, Aldrich Chemical company Inc., 1992-1993, p.27, N20, 180-4). Указанная кислота - краситель, представляет собой N- содержащее ароматическое соединение сложной структуры. При обработке в раствор подавали сжатый воздух.

Концентрацию органических примесей определяли при помощи спектрофотометра "Спекорд М-40". Ниже приведена зависимость концентрации C1-13.900 в обрабатываемом растворе в зависимости от времени облучения: время, мин: 0; 1; 5; 10; 12 концентрация, M: 5,04·10^-5; 3,74·10^-5; 1,08·10^-5; 1,60·10^-6; 8,40·10^-7 Как видно из представленных данных, обработка воды в течение всего 5 мин уменьшает содержание трудно разлагаемого органического соединения почти в 5 раз, а при увеличении времени обработки до 12 мин концентрации примесей в воде снижается почти на два порядка. Экспериментально было установлено, что и другие органические соединения, в том числе Cl, Br, I, F, N и S-содержащие, такие как нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, ядохимикаты, удобрения, эффективно минерализуются данным способом.

Предлагаемый метод эффективен для пробоподготовки водных сред, содержащих органические вещества, мешающие проведению количественного анализа примесей, например, тяжелых металлов, поскольку ВУФ с большой излучающей поверхностью и с высокой интенсивностью излучения быстро и полностью разлагает органические вещества. Особые преимущества метод имеет в тех случаях, когда требуется минерализация водных сред с уже пониженной концентрацией органических примесей.

Данное изобретение может быть с успехом использовано также для получения чистой, полностью минерализованной воды и свободных от органических примесей водных растворов, применяемых в различных областях науки, производства, коммунального водоснабжения, в том числе для получения питьевой воды.

Формула изобретения

1. Способ обработки водных сред, содержащих органические примеси, включающий подачу обрабатываемой среды в реактор и ее непосредственное контактирование с источником ультрафиолетового излучения, выполненным в виде лампы, наполненной инертным газом, соединенной с отдельно расположенным высоковольтным источником питания, отличающийся тем, что в качестве источника излучения используют вакуумную ультрафиолетовую лампу на барьерном разряде, выполненную в виде двух коаксиально расположенных кварцевых трубок, запаянных с образованием кольцевой полости, наполненной инертным газом, и с размещенным продольно внутри меньшего цилиндра электродом, при этом лампу устанавливают коаксиально в реакторе, имеющем цилиндрическую форму, с зазором относительно его внутренней стенки, причем на внешней стенке реактора размещают второй электрод в виде цилиндрической сетки, электроды соединяют с источником питания, характеризующимся следующими выходными параметрами: напряжение 8 - 25 кВ, частота не менее 60 кГц, мощность не менее 300 Вт, а обработку водной среды ведут при подаче в кольцевой зазор между лампой и внутренней стенкой реактора воздуха, инертного газа или смеси инертных газов под давлением.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют лампу, наполненную ксеноном, излучающую монохроматический пучок с длиной волны 172 нм и шириной полосы на полувысоте, соответствующей ± 8 нм относительно максимума.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что обработку водной среды проводят для пробоподготовки с целью аналитического определения в водной среде тяжелых металлов, мышьяка и других элементов.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что обработку водной среды, в том числе питьевой воды, проводят для ее очистки от примесей.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 01.07.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 4-2003

Извещение опубликовано: 10.02.2003        

---