Способ очистки воды

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании установок для очистки и обеззараживания воды повышенной производительности. Очистку воды осуществляют воздействием излучения электрического разряда и последующим воздействием химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды. Электрический разряд ведут в заполненном кислородсодержащим газом промежутке, отделенном от секций секционированного металлического электрода тонким диэлектрическим слоем из материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде. Материал имеет электрическую прочность более 300 МВ/м, относительную диэлектрическую проницаемость 5÷50, удельное объемное сопротивление 10¹⁰÷10¹⁷ Ом·м, удельное поверхностное сопротивление при температуре 20°С и относительной влажности 70% более 10¹⁰ Ом и коэффициент теплопроводности более 6 Вт/(м·К). Изобретение снижает энергозатраты на обработку воды. 1 ил.

 

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 (патент РФ 2233244, МКИ С02 F1/46. Реактор для обработки жидкостей. Б.Г.Шубин., М.Б.Шубин // Задал. 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 части 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 (Ппскарев И.М., Аристова Н.А. Генерирование озоногидроксильной 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), нестабильностью и неравномерностью электрического разряда.

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, электрический разряд создают в заполненном кислородсодержащим газом промежутке, отделенным от секций секционированного металлического электрода диэлектрическим слоем из материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде, имеющего электрическую прочность более 300 МВ/м, относительную диэлектрическую проницаемость 5÷50, удельное объемное сопротивление 10¹⁰÷10¹⁷ Ом·м, удельное поверхностное сопротивление при температуре 20°С и относительной влажности 70% более 10¹⁰ Ом и коэффициент теплопроводности более 6 Вт/(м·К).

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, изменением формы электрического разряда, повышением его стабильности и равномерности.

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, отделенным от секций секционированного металлического электрода диэлектрическим слоем 6, источник питания 7, выводы которого подключены к секционированному металлическому электроду и контакту 8, помещенному в обрабатываемую воду.

Способ очистки воды реализуется следующими действиями. Кислородсодержащий газ подвергается предварительной очистке, подготовке по составу и охлаждению. Подготовленный газ вводится в воду через диспергатор 3 в нижней части резервуара 1. Ввод газа осуществляется путем его подачи через пористый элемент диспергатора 3 с пористостью и размерами пор (30÷100 мкм), 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 5 между секционированным металлическим электродом 4 и поверхностью воды, отделенном от секций секционированного металлического электрода 4 диэлектрическим слоем 6 из материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде, имеющего электрическую прочность более 300 МВ/м, относительную диэлектрическую проницаемость 5÷50, удельное объемное сопротивление 10¹⁰÷10¹⁷ Ом·м, удельное поверхностное сопротивление при температуре 20°С и относительной влажности 70% более 10¹⁰ Ом и коэффициент теплопроводности более 6 Вт/(м·К)

Очистка воды осуществляется путем воздействия в 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 излучение электрического разряда. Электрический разряд имеет форму барьерного разряда.

Реактор для реализации способа очистки воды работает следующим образом. Под действием внешнего напряжения источника питания 7, приложенного между секционированным металлическим электродом 4 и поверхностью обрабатываемой воды, которая выполняет (совместно с контактом 8) роль второго электрода, в газовом слое промежутка 5 между секционированным металлическим электродом 4, секции которого отделены от разрядного промежутка 5 диэлектрическим слоем 6, и поверхностью воды возбуждается электрический барьерный разряд. Разряд имеет структуру отдельных микроразрядов, относительно равномерно распределенных по поверхности диэлектрического слоя 6, как в разрядном промежутке (преимущественно), так и газовых пузырьках в слое обрабатываемой воды. В микроразрядах 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 в присутствии паров воды, 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 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 барьерный разряд в газе 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. Электрический разряд заявляемой формы характеризуется высокой стабильностью и относительной равномерностью. 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 подается под избыточным давлением. Изменением величины избыточного давления кислородсодержащего газа возможны стабилизация и регулирование процесса обработки воды и параметров барьерного электрического разряда. Ввод в реактор и вывод из реактора обрабатываемой воды осуществляется через патрубки 2 в резервуаре 1.

В качестве материала диэлектрического слоя 6 могут быть использованы двуокись титана (рутил), окись алюминия (сапфир) и некоторые керамики на основе окиси алюминия (поликор), кристаллический кварц (окись кремния), составные оксидные керамики (цельзиан, анортит), нитридные керамики (нитрид бора, нитрид алюминия). Электрическая прочность более 300 МВ/м соответствует электрической прочности чистого материала (свойство пленки 0,0001÷0,3 мм).

Секции секционированного металлического электрода 4 в установке были выполнены из титановых стержней диаметром 8 мм, покрытых рутилом толщиной 2 мм. Разрядный промежуток 5 выбран равным 7 мм для рабочего напряжения на секционированном металлическом электроде 4 не более 40 кВ. При этом расход электроэнергии на синтез 1 кг озона из смеси технического кислорода (90 об.%) и аргона (10 об.%) в новой установке составил около 15 кВт·ч. При отсутствии диэлектрического слоя удельные энергозатраты на электросинтез (при одинаковых условиях) возрастали до 35 кВт·ч/кг.

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, 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 барьерного электрического разряда в заполненном кислородсодержащим газом промежутке, отделенном от секций секционированного металлического электрода тонким диэлектрическим слоем, стойким к воздействию электрического разряда и химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде, между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды, а также в газовых пузырьках в слое воды. Параметры диэлектрического слоя, имеющего электрическую прочность более 300 МВ/м, относительную диэлектрическую проницаемость 5÷50, удельное обьемное сопротивление 10¹⁰÷10¹⁷ Ом·м, удельное поверхностное сопротивление при температуре 20°С и относительной влажности 70% более 10¹⁰ Ом и коэффициент теплопроводности более 6 Вт/(м·К), обеспечивают энергооптимальный режим электрического барьерного разряда, характеризующийся низкими энергозатратами на обработку воды.

Энергозатраты на обработку воды (по сравнению с прототипом) могут быть снижены в 2,5÷3,0 раза.

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 электрический разряд создают в заполненном кислородсодержащим газом промежутке, отделенном от секций секционированного металлического электрода диэлектрическим слоем из материала, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде, имеющего электрическую прочность более 300 МВ/м, относительную диэлектрическую проницаемость 5÷50, удельное объемное сопротивление 10¹⁰÷10¹⁷ Ом·м, удельное поверхностное сопротивление при температуре 20°С и относительной влажности 70% более 10¹⁰ Ом и коэффициент теплопроводности более 6 Вт/(м·К).