CN101541685B - 用紫外辐射装置和催化剂处理压舱水的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理压舱水的设备和方法，包括具有LJV辐射装置的外壳，以及催化剂包括多个具有湍流和混合发生装置的板，特征在于所述的催化剂板布置在所述的外壳中，以及催化剂具有从由穿孔、孔、冲孔、结构化压制品、波纹、以及槽组成的集合中的一个或多个装置中选择的湍流和混合发生装置。本发明也涉及用于处理船舶中的压舱水的系统以及所述系统的用途。

Description

用紫外辐射装置和催化剂处理压舱水的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种处理液体的方法，特别是用光催化反应来净化液体以除去或消灭液体中的有害有机体。

背景技术

对受污染的液体特别是水的环境效应有越来越高的要求。得到干净的未受污染的水变成世界上的重点问题。这需要淡水以及盐水。在世界上很多区域的淡水供应受到限制的同时，很多淡水资源已被人类污染。

关于盐水，几十年来已向海洋倾倒了各种有害的并且污染的物质，例如化学制品、原油、汽油、重金属和来自工厂烟囱的煤烟，这些污染物影响了海洋中脆弱的生物平衡。

海洋中的生物平衡也由于压舱水的处理的原因而被人类影响。船舶布置有压舱水舱，压舱水舱被填充以在船舶不能用货物装满时使船舶稳定。即，当船舶在例如黑海的港口卸下它的货物时，并随后接收指令在红海的港口装进另一批货物，它用黑海的海水填充它的压舱水舱。当船舶随后到达红海的港口时，它将压舱水舱排空以接收新的货物。从而，曾在黑海的水中的物种被运输到红海。被运输来的物种可完全不同于红海中的正常物种，并可从而导致严重的生态问题。众所周知，从它们的正常环境运输到新环境的物种会引起很大的问题，例如，由于在新环境中它们没有正常的天敌；由于本地物种从运输来的物种中获得病害并被消灭，等等。一些被确认为一旦传播就将成为严重的生态问题的物种有：霍乱、海藻、有毒藻类和蚌类，这只是提及了一小部分。估计大约30-50亿吨的压舱水在全世界运输。因此这已成为联合国国际海事组织签发的条约的重点问题：从2009开始将要求所有商船安装和使用专用系统以处理压舱水，这并不令人惊讶。

已开发了多个系统以处理和净化水，例如使用化学制品，其中通常使用氯化物。为了减少很多化学制品对环境的负面影响，系统已被发展成不使用化学制品，而依靠其他作用以杀死水中的有机体以使水净化。

在几个国家已开发了在饮用水设备和洗浴设施中用臭氧(O₃)来净化水以及将在水中溶解的臭氧用于物品的清洁、消毒和杀菌的方法。臭氧的反应能力(2.07V电化氧化电势)归因于它是一种强氧化剂。高化学反应性与不稳定的电子排布相接合，该不稳定电子排布从其他分子寻求电子，从而意味着自由基的形成。在这个过程中，臭氧分子被分解。依靠其氧化作用，臭氧迅速地作用于某些无机和有机物质。

其对某些碳氢化合物、糖类、杀虫剂等的氧化作用意谓着在某些处理中臭氧是一种好的化学制品选择。臭氧、氧、过氧化氢物和紫外线辐射的组合意味着这些反应会由于更多自由基的产生而进行得更快和更有效率。光分解和光催化过程被用来分解这些有机体，使其变成无害的，并为此使用不同波长的光。所使用的普通光谱之一是紫外线，在紫外线中，某些波长在产生所需作用方面比其他波长更有效。例如，200nm以下的波长在由液体中的氧产生与有机体反应的臭氧方面具有良好的效果。为了增强这种效果，一些方法使用额外的氧来促进臭氧的产生。

另一种方法是用某种波长的紫外线来辐射所产生的臭氧，以分解臭氧并产生比臭氧更有化学活性的基。这样的方法在EP0800407中被公开，其中，待处理介质被引入某种形式的外壳中。在这个外壳中，该介质被暴露于具有130-400nm范围内的光谱分布的紫外线辐射。

特别是200nm以下的波长将介质中的氧转化为臭氧分子(O₃)。所形成的臭氧分子同时被在上述的波长范围内，尤其是在高至400nm的波长的辐射所分解。同时，所形成的O₂被分解以形成原子氧。

为了在自由基尤其是HO’基的产生期间提高效率，利用了催化剂，催化剂布置在臭氧被分解成自由基的区域中。用于催化剂的材料可包括金属和/或金属氧化物，例如贵金属、氧化铝、氧化钛、二氧化硅以及它们的混合物。

在一些应用领域中，例如处理高含盐水平的海水，上述产生和分解臭氧的方法不能像预期的那样起作用，因为盐水中的氯离子吸收了生成臭氧所需的紫外波长。

发明内容

本发明的目的是利用在某一区域产生臭氧以及同时将臭氧分解形成自由基这两种正面效应的结合，所述区域存在催化剂以促进自由基的产生，根据EP0800407，这形成了本发明的基础，以非常有效的方式以确保很高的净化度以及杀死有机体。

这个目的由专利的独立权利要求所述的特征来实现。本发明的优选的实施例可在从属权利要求中找到。

根据本发明的主要方面，其特征在于用来处理压舱水的设备，包括具有紫外线辐射装置的外壳，以及催化剂包括多个具有湍流和混合发生装置的板，特征在于所述的催化剂板布置在所述外壳中，以及催化剂具有从由穿孔、孔、冲孔、结构化压制品、波纹、以及槽组成的集合中的一个或多个装置中选择的湍流和混合发生装置。

根据本发明的另一个方面，催化剂板被布置成使得紫外线辐射装置通过催化剂板。

根据本发明的进一步的方面，紫外线辐射装置辐射从大约130到大约400nm范围内的光。优选的紫外线辐射装置辐射至少在187nm和254nm左右的光。

根据本发明的再一个方面，催化剂包括金属、金属氧化物或这两者，例如贵金属、氧化铝、氧化钛、二氧化硅和它们的混合物。

根据本发明的另一个方面，该设备也包括紫外线反射装置。

根据一个实施例，紫外线反射装置为由PTFE制成的装置。

根据本发明的进一步的方面，所述的紫外线发生装置包括紫外线灯，所述的紫外线灯布置在紫外线可渗透的细长管中，以及所述的管布置成大致横向于液体的流动方向。

根据本发明的一个实施例，所述的催化剂包括多个布置成堆的板，每个板之间有一定的距离，所述的灯布置成通过所述堆，其中所述板的延伸方向大致与液体流动的方向一致。

根据本发明的另一个方面，有多个的灯布置在所述的外壳中，每个灯被布置成通过一堆板，每个堆之间有一定距离，这使得在进入和离开所述板时能够产生液体湍流和混合。

根据本发明的再一个方面，所述板具有这样的横断面设计：前缘尖锐而后缘钝。

与在这个技术领域中已知的设备相比，本发明有多个优点。产生臭氧并同时使用催化剂将臭氧分解成自由基的非常有效的方法与非常彻底的混合和湍流相结合，以确保通过反应区域的每体积液体都暴露于自由基，这提供了非常彻底的处理。湍流和混合通过根据本发明的很多组成部分而获得。灯的位置和形状是一个组成部分；催化剂相对于灯和流动方向这两者的的布置，以及形状、表面设计也有助于彻底的混合，在这个方面，有助于阻止在基最浓密的催化剂表面附近产生死区。从而，重要的是，以下传输被优化：从灯到催化剂的活性表面的光的传输；有机体到该表面附近的传输；以及从该表面到液体体积的基的传输。

因为至少所选择的内表面部分布置有反射增强装置，与有一些紫外辐射被吸收的情况相比，从紫外线辐射发生装置发射的紫外辐射得到了更加充分的利用，从而，这导致更有效的处理过程。另外，所需功率也降低了。

内表面可用具有反射增强性质的适当材料覆盖。优选地，该材料也具有能经受住处理单元中的恶劣条件和待处理液体的化学活性作用的性质。该材料也应当能有效地对抗水垢形成，否则在应用过程中这会降低反射效果。

通过下文的具体实施方式和附图，可以清楚本发明的这些和其他方面的优点。

附图说明

在具体实施方式中，请参考附图，其中：

图1示出了用于处理压舱水的系统的概观，包括本发明，

图2示意性地示出了根据本发明的处理单元的一个可行实施例，

图3示出了包含在本发明中的催化剂板堆的设计的实例，

图4示出了催化剂板的设计的实例，

图5示出了催化剂板的设计的另一个实例，以及

图6示出了某种形状的催化剂板堆的再一个实例。

具体实施方式

现在将联系附图描述本发明的实施例。本发明利用所谓的高级氧化技术(AOT)来进行水处理，利用短寿命基与有机物质反应。AOT可作为一个应用被用于处理船舶的压载箱中的压舱水。

图1示意性地示出了用于处理压舱水、包括AOT净化器10的系统。从海洋进入系统的水被抽吸经由进水管12通过过滤器14，过滤器14除去了包含在水中的较大的成分和物质。水随后在经由出水管16进入压载箱之前通过AOT净化器10。

AOT净化器利用三个重要的组成部分来处理流经该单元的水。一个是紫外线发生装置，即，波长在紫外光谱内，＜380nm，其具有足以用于光催化和/或直接去除微生物和/或直接形成液体中的自由基或溶解在液体中的成分和/或从以气态存在或溶解在液体中的氧直接形成臭氧的能量。波长使第二个组成部分能够在水中产生臭氧，并同时分解臭氧以形成自由基。第三个组成部分将催化剂布置在产生臭氧和自由基的反应区域中，以增加自由基的量。

本发明涉及的一个非常重要的方面是使所有流经该单元的水都经受上述处理，即，净化所有水流。为了实现这点，将所有体积的水暴露于上述三个组成部分是非常重要的，即，确定所有体积的水都会通过上述的一个或多个反应区域。下文描述了本发明的可以实现这些的多个方面，其中主要目的是对水流有很好的混合。

根据图2示出的实施例，AOT净化器包括壳体20，在所示出的实施例中为大致狭长的、具有矩形横断面的外壳，并在外壳的每一端具有入口22和出口24。当水流进外壳中，它可以在入口和出口之间、在狭长外壳的方向上流动。在外壳中，多个紫外线辐射光源26布置在石英玻璃的细长管28中，这些光源在隔间的相对的壁之间延伸。光源被连接到适当的电源上。选择紫外线辐射光源使得它发射在130-400nm区间的波长以将介质中的氧转换成臭氧分子(O₃)并分解该臭氧分子。

根据本发明的一个方面，在外壳的内表面布置有反射增强装置。或者选择的内表面部分，或者所有内表面，设置有反射增强装置。反射增强装置提供了从灯发射的紫外线的“再使用”。这提供了这样的效果，即，碰到处理单元内部的光被反射回来并继续处理液体，这产生了更好的效果。因此，没有光被吸收，由此降低了对紫外线灯的功率要求。

有很多可能适合作为反射增强装置的材料。一个重要的因素是材料必须能够经受住单元内部极有化学活性的条件，例如耐腐的性质等等。

已被证明成功的材料为一些聚合材料，特别是氟塑料，例如聚四氟乙烯(PTFE)。PTFE具有很高的反射能力并从而适合作为反射增强材料。除此以外，PTFE显示了很低的摩擦系数并也能够抵抗有化学活性的液体例如海水。这会减少甚至消除水垢形成并也会减少经过处理单元的水力摩擦。在这种情况下，可以理解显示相似性质的其他聚合材料可以代替PTFE使用。聚合材料也比钢或其他金属更便宜。另外，聚合材料能与以例如粉末形式分散在聚合物中的催化材料一起准备，例如金属和/或金属氧化物，例如贵金属、氧化铝、氧化钛、二氧化硅和它们的混合物。

灯的布置

玻璃管布置成基本上垂直于流动的方向。在图2所示出的实施例中，灯布置成两排，但是也可以只有一排，或多于两排，这取决于能量需求。从下文的描述可以理解，可以以其他的方式对灯定位，例如交错的，即，相继地放置在流动的方向上。如果壳体为圆柱形的单元，灯也可在径向上分度设置。重要的事情是灯的定位导致湍流并产生涡流和湍流的混合。在这个情况下，灯套在横断面具有不同于圆形的形状也是可行的，这会增加混合，例如三角形、多边形、椭圆形、星形等。

催化剂的布置

进一步的，多个板30布置在外壳中，板的延伸方向与流动的方向一致并从而与灯的延伸方向垂直。板布置成堆，在它们之间有一定的距离。板作为AOT过程的催化剂从而增加所产生的基的量。因此，板由具有催化性质的材料制成以增加在反应区域中所产生的基的量。材料可包括金属和/或金属氧化物，例如贵金属、氧化铝、氧化钛、二氧化硅和它们的混合物。

选择板的数量和板之间的距离，使得获得关于以下实例的优化：从灯到板的活性表面的光的传输；在该表面附近的有机体的传输；以及从该表面到液体体积的自由基的传输。

为了进一步增加液体的湍流和混合，图3中附加的障碍物32，例如圆柱体，可被设置在灯之间并连接到板上，这也起到确保催化剂板之间保持恰当的距离的作用。灯和障碍物可放置成距离彼此有不同的距离和/或由不同的尺寸，以产生不对称，也即因而产生反应器中不同体积之间的压力差，从而产生了混合。不对称可以在流动方向和流动方向的横向这两个方向上产生。在这个方面，在流动方向的附加障碍物可具有不同的宽度或直径，使得每隔一个障碍物就薄一些，再隔一个障碍物就厚一些。障碍物也可以有其他的横断面形状，例如三角形、多边形、椭圆形、星形等等。进一步的，障碍物可布置有反射材料，例如氟塑料、丙烯酸塑料等具有这种性质的聚合物。

鉴于以上所述，但是，应该注意到，不对称需要以计算好的方式实现，使得不产生死区或者未以最佳方式暴露的流动路径。

催化剂的设计

催化剂板优选地被设计为也增加和/或促进反应区域的湍流以及被设计为增加表面积。有多个可以被使用的不同的设计、构造以及它们的组合。根据图4，催化剂板30由膨胀的金属制成，从而产生多个穿透板的穿孔或孔34。膨胀的金属的一个优点是孔的边缘很尖锐，从而增加了湍流。其他类型的设计可以为冲孔、结构化压制品、波纹、槽等等。使用网状物、纺织物或无纺织物、金属丝网等等也是可能的。这些还可以用光可渗透材料例如石英玻璃、玻璃纤维或其他具有合适的性质的材料。板的表面的设计和/或板的结构确保边界层变得很薄，否则这会阻止邻近于板的光催化表面的流体交换，在基最浓密的表面附近产生流动死区。其他减薄边界层的方式可为增加催化剂的表面粗糙度，通过例如向表面添加石英砂。

催化剂的大小

可以采取进一步的措施来增强湍流和混合。图5示出了实施例，其中，与图2不同的是，板不整个贯穿外壳而是“断开的”，在催化剂板堆之间提供连续的空间36。当离开一个堆时，这会引起液体中的湍流，当碰到下一个堆时，会引起进一步的湍流，这样可以获得如下的过程：-＞光催化-＞混合-＞光催化-＞混合。

为了更进一步增强离开一个堆时的湍流，板可具有这样的横断面设计：每个板的前缘，即，面向水流的那边，是尖锐的，而后缘是钝的，见图6。

存在影响该设备的效率的其他方面。例如，流速就是这样的一个方面，其中，较高流速可减薄边界层。另一方面，太高的流速可能导致经过处理区域的大量的压舱水没有被有效地处理。在这个方面，将入口和出口区域以合适的方式设计是很重要的。优选的，见图2，入口壁和出口壁的角α小于15°，并且优选的小于7°，进一步的，入口和出口区域可以布置有引导板以将液体流引导到所希望的方向上。

可以理解，上文所描述的和示于附图中的本发明的实施例仅被看作本发明的非限制性实例，并可在本专利的权利要求的范围内以多种方式更改。

Claims (3)

1.一种用于处理压舱水的设备，包括

外壳；

设置在外壳内的紫外线辐射装置，能够在外壳的反应区中发出波长在紫外光谱内的辐射，具有足以直接形成液体中的自由基的能量；

设置在产生臭氧和自由基的反应区域中的催化剂，以增加自由基的量；

所述催化剂包括多个具有湍流和混合发生装置的板，所述湍流和混合发生装置从由孔、结构化压制品、波纹、以及槽组成的集合中的一个或多个装置中选择，

其特征在于所述紫外线辐射装置包括紫外线灯，所述紫外线灯布置在紫外线可渗透的细长管中，并且所述的管布置成大致横向于液体的流动方向，所述催化剂的板布置成堆，每个板之间有一定的距离，所述的灯布置成通过所述堆，其中所述板的延伸方向大致与液体流动的方向一致。

2.权利要求1的设备，其特征在于，有多个布置在所述外壳中的灯，每个灯布置成通过一堆板，以及在每堆之间有一定距离，这使得在进入和离开所述板时能够产生液体湍流和混合。

3.权利要求1-2之一的设备，其特征在于，所述板具有这样的横断面设计：前缘尖锐而后缘钝。

Images