Способ очистки воды

Изобретение относится к способам очистки воды от растворенных органических веществ и может быть использовано для очистки природных и сточных вод. Способ включает каталитическое окисление компонентов водного раствора в мембранном реакторе в присутствии растворенных газов-окислителей. Причем обрабатываемый раствор перед мембранным реактором предварительно выдерживают в сатураторе под рабочим давлением трансмембранного фильтрования до полного газонасыщения раствора. В качестве катализаторов могут быть использованы каталитически активные мембраны, растворенные гомогенные катализаторы и/или дисперсии гетерогенных катализаторов. Результат заключается в упрощении и повышении надежности каталитического окисления в мембранных реакторах, например, при очистке загрязненных вод. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к способам очистки воды от растворенных органических веществ и может быть использовано для очистки природных и сточных вод.

Известен способ для очистки сточных вод (патент RU 2359919 от 27.06.2009), в котором имеется, по меньшей мере, один реакционный сосуд, по меньшей мере, с одним выпуском очищенных сточных вод, по меньшей мере, с одним вентиляционным каналом и со средством введения, по меньшей мере, одного окисляющего газа. Реакционный сосуд содержит слой материала, способного катализировать реакцию окисления органического материала в указанных сточных водах и/или поглощать этот органический материал. Реакционный сосуд также содержит погружную мембрану устройства фильтрации, при этом средство введения по меньшей мере одного окисляющего газа и впуск сточных вод расположены на дне реакционного сосуда для введения окисляющего газа и сточных вод параллельными потоками, в направлении слоя каталитического материала, и затем в направлении мембраны устройства фильтрации. Однако в данном способе при параллельном движении газа и обрабатываемых сточных вод не происходит полного смешения сточных вод и окисляющего газа, что приводит к недостаточной степени очистки воды.

Известен способ жидкофазного мембранного разделения (патент RU 2232044 от 03.02.2003), где происходит полное смешение обрабатываемой воды и газа при использовании мембранной сепарации. Техническое решение этого способа заключается в жидкофазном разделении путем предварительного насыщения под рабочим давлением фильтрования обрабатываемого раствора инертными, по отношению к разделяемым компонентам и к материалам мембранного аппарата, газами с последующей фильтрацией раствора через ультрафильтрационную мембрану. Однако в этом способе используются инертные к компонентам жидкости и материалу мембран газы, поэтому он не может быть использован для проведения окислительных каталитических процессов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ очистки воды от растворенных органических веществ, включающий приведение раствора в контакт с полупроводниковым фотокатализатором, облучение их ультрафиолетом в течение времени, достаточного для разрушения примесей, и отделение очищенной воды от фотокатализатора мембранной фильтрацией, отличающийся тем, что все три стадии осуществляются одновременно путем фильтрации через пористую мембрану из полупроводникового материала на основе TiO₂, CdS, SrTiO₃, Fe₂O₃, являющуюся фотокатализатором, при одновременном облучении мембраны ультрафиолетом в присутствии избытка окислительного агента (Патент РФ №2117517 опубл. 20.08.1998 г.). Введение кислорода или озона осуществляется через газопроницаемую водонепроницаемую мембрану.

Однако данный способ является трудоемким, так как требует:

- наличия мощных источников ультрафиолетового облучения,

- сложных высоконапорных генераторов кислорода и/или озона,

- дополнительных водонепроницаемых мембран для подвода газа, что, в свою очередь, ведет к усложнению и удорожанию процесса очистки воды.

Кроме этого, данный способ

- имеет ограничения по максимальной исходной концентрации загрязняющих органических веществ в обрабатываемой воде,

- требует наличия избытка окислителей для предотвращения отравления катализатора мембран и/или снижения их каталитической активности.

Задачами изобретения являются:

- упрощение процесса каталитического окисления в мембранном реакторе;

- снятие ограничения по концентрациям загрязняющих веществ и по количеству окислителей в исходной реакционной смеси;

- повышение надежности очистки загрязненных вод.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе очистки воды, включающем каталитическое окисление компонентов водного раствора в мембранном реакторе в присутствии окислителей в виде газов, согласно изобретению, обрабатываемый раствор полностью насыщают вводимыми газами - окислителями перед мембранным реактором под рабочим давлением трансмембранного фильтрования, причем в мембранный реактор подают, как растворенные гомогенные катализаторы или дисперсии гетерогенных катализаторов, так и их смеси.

Схема процесса представлена на фигуре. Способ осуществляется следующим образом.

Сырьевая емкость 1 заполняется очищаемой от загрязняемых примесей водой. Туда же может добавляться растворенный гомогенный или диспергированный гетерогенный катализатор. Затем жидкость из сырьевой емкости 1 по трубопроводу 2 эжектором 3 подается под рабочим давлением трансмембранного фильтрования в сатуратор 4. С помощью эжектора 3 в сатуратор 4 поступают окислители в виде газов, например, кислород или его смесь с озоном. Из сатуратора 4 после полного насыщения обрабатываемой жидкости окисляющим газом газонасыщенная реакционная смесь поступает в реактор с каталитически активными мембранами 5. При этом у поверхности мембраны со стороны сырья образуется слой с повышенной концентрацией реагирующих между собой и задерживаемых мембраной веществ (концентрационная поляризация), который, тем самым ускоряет их химическое взаимодействие. Продукты реакции отводятся из зоны реакции через мембрану, что также способствует увеличению скорости и степени химического взаимодействия. Слой с повышенной концентрацией задерживаемых мембраной веществ создает определенное гидравлическое сопротивление для трансмембранного потока. В нем происходит уменьшение гидростатического давления, вследствие чего из предварительно насыщенной газом жидкости начинают выделяться пузырьки растворенного газа, которые за счет тангенциального движения уменьшают вероятность загрязнения поверхности мембраны различными отложениями и промежуточными продуктами окисления, поддерживая тем самым ее каталитическую активность. Кроме того, окислитель, находящийся в газовой фазе в более высоких концентрациях, чем в жидкости, способствует лучшей активации катализатора на поверхности мембраны и препятствует его отравлению.

Катализаторы и непрореагировавшие вещества, находящиеся в обрабатываемой жидкости по линии ретентата 6, могут быть возвращены в сырьевую емкость для последующей повторной обработки в каталитическом мембранном реакторе.

Пример 1. Исследовалась очистка воды со следующим составом: ХПК (химическое потребление кислорода - бихроматная окисляемость) - 1930 мг/дм³, БПК_п (полное биохимическое потребление кислорода) - 793 мг/дм³, взвешенные вещества - 3 мг/дм³, окислитель - озоно-кислородная смесь - 20 мгО₃/дм³. Вода подавалась в мембранный реактор с каталитически активными мембранами, минуя сатуратор. Давление в мембранном реакторе составляло 0,6 МПа. В процессе исследований изменялось количество подаваемой через эжектор озоно-кислородной смеси и, тем самым, варьировались дозы подаваемого озона. Эффективность окисления сточных вод оценивалась по ХПК. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1
Доза подаваемого озона, мг/дм3	ХПК после обработки, мг/дм3
1100	1220
1900	859
2800	430
2900	442
3000	435

Пример 2. Исследовалась очистка воды со следующим составом: ХПК - 1930 мг/дм³, БПК_п - 793 мг/дм³, взвешенные вещества - 3 мг/дм³, окислитель - озоно-кислородная смесь - 20 мгO₃/дм³. Вода подавалась в мембранный реактор с каталитически активными мембранами через сатуратор. Давление в сатураторе и в мембранном реакторе составляло 0,6 МПа. В процессе исследований изменялось время пребывания газожидкостной смеси в сатураторе и, тем самым, варьировалась степень насыщения исходной жидкости озоном. Эффективность окисления сточных вод оценивалась по ХПК. Результаты исследований приведены в таблице 2. При 100% степени насыщения обрабатываемой жидкости газом наблюдается резкое снижение ХПК сточных вод после мембранного реактора.

Пример 3. Исследовалась очистка воды со следующим составом: ХПК - 1930 мг/дм³, БПК_п - 793 мг/дм³, взвешенные вещества - 3 мг/дм³. В воду добавлялся катализатор - раствор MnCl₂, окислитель - озоно-кислородная смесь - 20 мгO₃/дм³. Смесь воды и катализатора подавалась в мембранный реактор с каталитически активными мембранами через сатуратор. Давление в сатураторе и в мембранном реакторе составляло 0,6 МПа. В процессе исследований изменялось время пребывания газожидкостной смеси в сатураторе и, тем самым, варьировалась степень насыщения исходной жидкости озоном. Эффективность окисления сточных вод оценивалась по ХПК. Результаты исследований приведены в таблице 2. При 100% степени насыщения обрабатываемой жидкости газом наблюдается резкое снижение ХПК сточных вод после мембранного реактора.

Пример 4. Исследовалась очистка воды со следующим составом: ХПК - 1930 мг/дм³, БПК_п - 793 мг/дм³, взвешенные вещества - 3 мг/дм³. В воду добавлялся катализатор - дисперсия цеолита. Окислитель - озоно-кислородная смесь - 20 мгO₃/дм³. Смесь воды и катализатора подавалась в мембранный реактор с каталитически активными мембранами через сатуратор. Давление в сатураторе и в мембранном реакторе составляло 0,6 МПа. В процессе исследований изменялось время пребывания газожидкостной смеси в сатураторе и, тем самым, варьировалась степень насыщения исходной жидкости озоном. Эффективность окисления сточных вод оценивалась по ХПК. Результаты исследований приведены в таблице 2. При 100% степени насыщения обрабатываемой жидкости газом наблюдается резкое снижение ХПК сточных вод после мембранного реактора.

Пример 5. Исследовалась очистка воды со следующим составом: ХПК - 1930 мг/дм³, БПК_п - 793 мг/дм³, взвешенные вещества - 3 мг/дм³. В воду добавлялись катализаторы - дисперсия цеолита и раствор MnCl₂. Окислитель - озоно-кислородная смесь - 20 мгO₃/дм³. Вода подавалась в мембранный реактор с каталитически активными мембранами через сатуратор. Давление в сатураторе и в мембранном реакторе составляло 0,6 МПа. В процессе исследований изменялось время пребывания газожидкостной смеси в сатураторе и, тем самым, варьировалась степень насыщения исходной жидкости озоном. Эффективность окисления сточных вод оценивалась по ХПК. Результаты исследований приведены в таблице 2. При 100% степени насыщения обрабатываемой жидкости газом наблюдается резкое снижение ХПК сточных вод после мембранного реактора.

Таблица 2
Условия проведения процесса обработки сточных вод	ХПК сточных вод, мг/дм3, после сатуратора (числитель) и после реактора с каталитически активными мембранами (знаменатель) при степени насыщения газом-окислителем обрабатываемой жидкости, %
20	40	60	80	100
без добавления катализатора в исходную жидкость (пример 2)	$$\frac{1810}{1730}$$	$$\frac{1640}{1540}$$	$$\frac{1470}{1320}$$	$$\frac{1300}{1130}$$	$$\frac{1130}{240}$$
с добавлением в исходную жидкость гомогенного катализатора (пример 3)	$$\frac{1730}{1670}$$	$$\frac{1525}{1420}$$	$$\frac{1320}{1160}$$	$$\frac{1120}{890}$$	$$\frac{910}{186}$$
с добавлением в исходную жидкость гетерогенного катализатора (пример 4)	$$\frac{1790}{1690}$$	$$\frac{1600}{1460}$$	$$\frac{1430}{1210}$$	$$\frac{1240}{970}$$	$$\frac{1050}{203}$$
с добавлением в исходную жидкость смеси гомогенного и гетерогенного	$$\frac{1710}{1650}$$	$$\frac{1500}{1360}$$	$$\frac{1280}{1090}$$	$$\frac{1070}{820}$$	$$\frac{850}{175}$$
катализаторов (пример 5)

Предлагаемый способ очистки воды найдет свое применение при очистке природных и сточных вод.

1. Способ очистки воды, включающий каталитическое окисление компонентов водного раствора в мембранном реакторе в присутствии растворенных газов-окислителей, отличающийся тем, что обрабатываемый раствор перед мембранным реактором предварительно выдерживают в сатураторе под рабочим давлением трансмембранного фильтрования до полного газонасыщения раствора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в мембранный реактор подают растворенные гомогенные катализаторы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в мембранный реактор подают дисперсии гетерогенных катализаторов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в мембранный реактор подают смеси гомогенных и гетерогенных катализаторов.