Průtočný fotokatalytický panelový reaktor pro čištění vody kontaminované organickými látkami

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro fotokatalytické čištění vody kontaminované organickými látkami, a to jejich rozkladem na jednoduché ekologicky nezávadné nebo málo závadné látky, především na oxid uhličitý, vodu a anorganické soli.

Dosavadní stav techniky

Použití fotokatalýzy je velmi účinný postup pro čištění vody kontaminované organickými látkami. Fotokatalytický rozklad organických látek je založen na současném působení energie světla (umělého nebo slunečního) a katalytických chemických reakcí, přičemž v konečném důsledku je organická látka zcela rozložena na oxid uhličitý, vodu a některé další anorganické sloučeniny. Předností fotokatalytické dekontaminace je to, že tento proces není závislý na použití dalších chemických sloučenin a že nevznikají další nebezpečné odpady, které je nutno likvidovat. Navíc, postup je velice univerzální pro rozličné organické sloučeniny.

Většina současných fotokatalytických reaktorů je založená na využití umělého zdroje světla, a to především ultrafialového záření. Provoz takového typu zařízení je energeticky dosti náročný. Proto současný vývoj je nasměrován na přednostní využití obnovitelných zdrojů energie, a to slunečního záření. Efektivita takového typu fotokatalytického reaktoru je mimo jiné závislá na ploše absorbující sluneční světlo, proto takový reaktor je obvykle realizován ve formě panelů.

Existují rozličná technická řešení fotokatalytických panelových reaktorů pro čištění kontaminovaných vod, ale naprostá většina z nich je založena na principu využití fotokatalyzátoru ve formě suspenze s čištěnou vodou. Takový systém je docela jednoduchý a efektivní, významnou nevýhodou je však nutnost separace katalyzátoru z reakční směsi a jeho následné recyklace, což s ohledem na velikost částic katalyzátoru v řádu desítek nanometrů je velice obtížně proveditelné a vyžaduje poměrně složité a zdlouhavé postupy.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje navrhované zařízení pro fotokatalytické čištění vod kontaminovaných organickými látkami, které je založeno na principu fixovaného fotokatalyzátoru. Zařízení je řešeno jako průtočný fotokatalytický panelový reaktor využívající jako zdroj energie především sluneční záření. Jelikož efektivita procesu fotokatalytického rozkladu kontaminantů je závislá především na době procesu a na intenzitě kontaktu kontaminované vody a katalyzátoru, je vhodná co největší plocha katalyzátoru, dále dostatečně dlouhá doba zdržení kontaminované vody v reaktoru a dostatečně intenzivní průtok, který zabezpečuje výměnu kontaktních ploch mezi vodou a katalyzátorem. Zvýšení kontaktní plochy lze dosáhnout snížením vrstvy vody, kdežto zvýšení průtoku při současném zvýšení doby zdržení čištěné vody v reaktoru lze dosáhnout prodloužením celkové průtočné dráhy. Toto je v navrženém řešení dosaženo použitím reakční nádrže ve formě dostatečně tenké a dlouhé trubky. Dle vlastních experimentálních údajů z hlediska technologické proveditelnosti je vhodný průměr trubky v rozmezí 0,5 až 2,5 cm a vhodnou délkou trubky z hlediska účinnosti procesuje délka převyšující minimálně 10 000-násobek jejího průměru. Taková trubka je pro větší kompaktnost a usnadnění rovnoměrného průtoku vody uložená na panelu do těsných vodorovně orientovaných řad propojených na okraji panelu ohybem, přičemž jeden konec této trubky je připojen na odtokovou nádrž dodávající kontaminovanou vodu a druhý konec je připojen prostřednictvím průtoku vody regulujícího kohoutku na přítokovou nádrž pro sběr vyčištěné vody. Průtok vody je zabezpečen gravitačními silami díky roz45 dílu ve výškovém rozmístění odtokové a přítokové nádrže, kdy spodní okraj odtokové nádrže je umístěn výše než horní okraj nádrže přítokové. Odtoková nádrž může být navíc vybavena provzdušňovacím zařízením za účelem co nejvyššího okysličení kontaminované vody před vstupem do reaktoru, což podporuje proces fotokatalýzy.

- 1 CZ 18323 Ul

Efektivita fotokatalytického rozkladu je dále závislá na intenzitě slunečního záření působícího na rozhraní vody a katalyzátoru v procesu dekontaminace, což je zesíleno použitím trubek zhotovených z průsvitných zejména pro ultrafialové záření propustných materiálů (např., křemen, polymemí fluorované materiály a speciální typy skla) a zrcadlové vrstvy podkladu pod trubkami nebo na spodní části trubek. Zrcadlová vrstva může být nanesena na vnější nebo vnitřní části trubky, kdežto pevná fotokatalytická vrstva se vždy nanáší pouze na vnitřní část trubky, a to jako poslední, což zaručuje její následný kontakt s kontaminovanou vodou. Optimálním se jeví zrcadlové pokrytí spodní části trubky přiléhající k panelu v rozmezí od 1/3 do 2/3 jejího obvodu. Kulatý profil a zrcadlový povrch zabezpečují vícenásobný odraz světla a tím zintenzivnění procesu fotoio katalýzy. Navíc, voda protékající v trubce působí na světlo jako čočka, což rovněž zesiluje efekt fotokatalýzy.

Přehled obrázků na výkrese

Technické řešení zařízení je blíže vysvětleno pomocí schematického výkresu na obr. 1. Šipkami je označen směr látkového pohybu, tj. směr toku čištěné vody v procesu dekontaminace.

Příklad provedení

Zařízení sestává z polohově nastavitelného panelu £ umožňujícího nastavení šikmosti jeho sklonu vůči horizontu a tím optimalizaci dopadu slunečního záření na reaktor. Jako reakční nádrž slouží trubka 2 o průměru v rozmezí 1 cm a o délce 100 m, přes kterou protéká kontaminovaná voda a ve které probíhá slunečním zářením a fotokatalyzátorem aktivovaný rozklad kontaminujících organických látek. Tato trubka je pro kompaktnost a usnadnění rovnoměrného průtoku vody uložena na panelu do těsně k sobě přilehajících vodorovně orientovaných řad propojených na okraji panelu ohybem. Jeden konec této trubky je připojen na odtokovou nádrž 3 dodávající kontaminovanou vodu a druhý konec je připojen prostřednictvím kohoutku 4 regulujícího průtok vody v reaktoru na přítokovou nádrž 5, určenou pro sběr vyčištěné vody. Umístění přítokové nádrže pod spodní okraj nádrže odtokové zabezpečuje samovolný tok vody v reaktoru. Trubka je zhotovena z průsvitného a zejména pro ultrafialové záření propustného materiálu, přičemž její spodní část je v rozmezí od 1/3 do 2/3 jejího obvodu pokryta zrcadlovou vrstvou s odrazem nasměrovaným dovnitř trubky, kdežto na vnitřním povrchu trubky je po celém obvodu nanesena pevně fixovaná vrstva fotokatalyzátoru. Odtoková nádrž je vybavena provzdušňovac ím zařízením 6 za účelem co nejvyššího okysličení kontaminované vody před vstupem do reaktoru, což podporuje proces fotokatalýzy.

Průmyslová využitelnost

Předkládané technické řešení zařízení umožňuje provedení fotokatalytického čištění vod kontaminovaných rozličnými organickými látkami, a to ekologickým způsobem s využitím energie slunečního záření, přičemž konečným produktem fotokatalytického rozkladu jsou jednoduché ekologicky nezávadné nebo málo závadné látky, především oxid uhličitý, voda a anorganické sloučeniny. Aplikace je zvlášť vhodná pro odstranění malých koncentrací vysoce odolných organických kontaminantů při dočištění odpadních vod a pro přípravu vysoce čisté vody.

NÁROKY NA OCHRANU