CZ297103B6

CZ297103B6 - Zpusob cistení tekutin za pouzití ionizacního provzdusnování

Info

Publication number: CZ297103B6
Application number: CZ20041014A
Authority: CZ
Inventors: Lysytchuk@Oleg; Spurný@Miroslav; Rytschkow@Wladislav
Original assignee: Lysytchuk@Oleg; Spurný@Miroslav
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-09-13
Also published as: RU2355644C2; WO2006037282A1; CZ20041014A3; US7651617B2; RU2007116983A; US20090084729A1; EP1797009A1

Abstract

Zpusob cistení tekutin, zejména kapalin, od skodlivých prímesí a mikroorganismu za pouzití provzdusnování a pusobení elektrických výboju, jehoz podstata spocívá v tom, ze cistená tekutina se podrobuje plynodynamické disperzi pomocí vháneného vzduchuv kanálech sklonených pod úhlem 30 az 50.degree. vzhledem k hladine cistené tekutiny pri rychlosti proudení vháneného vzduchu o velikosti 10 az 100 m/s, pri hydraulickém odporu kanálu pohybujícím se v rozmezí hodnot od 1,5 do 10 kPa a pri specifickéspotrebe dispergované vody od 0,1 do 30 kg na 1 m.sup.3.n. vháneného vzduchu, který se nejdríve predbezne ionizuje v nestejnorodém elektrostatickém poli koronárních výboju pri napetí mezi elektrodamio volených v rozmezí od 3 kV do 10 milionu V pri hodnotách proudu korony mezi elektrodami v rozmezíhodnot 10 az 1000 mA a pri specifickém výkonu elektrických výboju v rozmezí hodnot od 0,1 do 10 kWhna 1m.sup.3.n. upravované tekutiny.

Description

Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti způsobů čištění tekutin, zejména kapalin, od škodlivých příměsí a mikroorganismů, a lze jej využít jak pro čištění vod v přírodních nádržích, tak v komunálním hospodářství při čištění pitné vody nebo při čištění městských i průmyslových odpadních vod a kalů. Způsob čištění tekutin je rovněž využitelný v energetice, chemii a metalurgii při fyzikálně chemické úpravě nejrůznějších tekutých médií včetně tavenin a plynů.

Dosavadní stav techniky

Je znám způsob úpravy vody komplexem elektrického působení elektrických polí s napětím, dosahujícím hodnoty průrazného proudu o velikosti 1 až 100 kV/cm, jak je popsáno v publikaci Jakovlev S. V. a ko.: „ Technologie elektrochemické úpravy vody“ (Leningrad, Strojizdat, 1987, sir. 207). Nedostatkem tohoto způsobu čištění vody je jeho malá produktivita, a to pouze 401/h při výkonu 1 kW a spotřebě energie v závislosti na kvalitě upravované vody od 0,1 do 5 kWhodin/m³.

Je rovněž znám způsob úpravy vody ozonizací podle publikace Orlov K. A. „Ozonizace vody“ (Moskva, Strojizdat, 1984, str. 89), kde je uváděno, že optimální dávka ozónu činí od 0,25 do 1,25 mg/litr, když jeho použití a promíchání s vodou umožňuje zmenšit dávku použitých koagulantů. Tímto způsobem je možno dosáhnout kvalitu čištění, vyhovující hygienickým normám z hlediska obsahu bakterií a virů.

Čištění vod je možno provádět rovněž současně probíhající elektrokoagulací a elektroflotací, což je uvedeno například v patentu US 3 822 204, kde v popisovaném zařízení prochází kapalina nad destičkovými elektrodami v dolní části elektroflotátoru nad jeho dnem. Bublinky elektrodových plynů pak vynášejí pevné částice nečistot na povrch kapaliny. Současná elektrochemická úprava kapalin a elektroflotace je pak popsána například ve spisech US 3 893 900 nebo GB 1 411 388 a kombinace elektrochemické úpravy a ozonizace například ve spise CZ 284 039.

Ve spise US 2002/0040875 Al je popisován způsob čištění kapalin, například vody, při kterém plyn prochází koronou elektrického pole periodicky vytvářeného generátorem a je do kapaliny přiváděn pomocí rozprašovacího zařízení. Vzduch procházející generátorem při odpojení elektrického proudu efektivním způsobem ochlazuje vnitřek generátoru·. Nedostatky tohoto způsobu jsou poměrně složitá konstrukce zařízení a fakt, že procesy probíhají v režimu laminámí difúze, což je překážkou dosažení vysokého výkonu zařízení, které neumožňuje komplexní očištění vody například od složitých chemických a organických sloučenin.

Dále je znám způsob čištění kapalin podle spisu WO 02/48053, při němž se kapalina nasycená bublinkami plynu vystavuje účinkům elektrického pole za účelem vytvoření ionizačního efektu v plynových bublinkách. Nedostatkem popisovaného zařízení je jeho složitá konstrukce a nízký výkon v důsledku procesů laminární difúze, neboť není možno sloučit účinky dynamického pohybu plynu s elektrodynamickými účinky elektrického pole.

Konečně je známo zařízení pro úpravu mechanicky, organicky nebo biologicky znečištěné vody dle spisů DE 10014833 Al, resp. DE 201 22 005 Ul, které obsahuje systém filtrů, čerpadel, ionizátor, reaktor a filtr na výstupu ze zařízení. Ionizační modul zařízení je tvořen ionizačním prvkem s velkoplošnou anodovou a katodovou sítí a diferenciátorem, u kterého je katodová síť uzavřena mezi dvě skelné desky, po jejichž obou stranách se nachází anodová síť. Nedostatkem tohoto řešení je malá rychlost difúze bublinek ionizovaného vzduchu a chemických reagentů v objemu vody, která probíhá v režimu laminární difúze, což má za následek nízký výkon zařízení.

- 1 CZ 297103 B6

Společným nedostatkem všech uváděných způsobů a zařízení pro čištění a úpravu vod je jejich poměrně malá produktivita, zdlouhavost průběhu čisticího procesu a nedokonalost sladění současného průběhu plynodynamické a elektrofyzikální úpravy kapaliny.

Podstata vynálezu

Zvýšení kvality čištění malých i velkých objemů tekutin od škodlivin a mikroorganizmů při současném snížení provozních nákladů řeší způsob čištění tekutin, zejména kapalin, od škodlivých příměsí a mikroorganismů za použití provzdušňování a působení elektrických výbojů. Podstatou vynálezu je, že čištěná tekutina se podrobuje plynodynamické disperzi pomocí vháněného vzduchu v kanálech skloněných pod úhlem 30 až 50° vzhledem k hladině čištěné tekutiny při rychlosti proudění vháněného vzduchu o velikosti 10 až 100 m/s, při hydraulickém odporu kanálů pohybujícím se v rozmezí hodnot od 1,5 do 10 kPa a při specifické spotřebě dispergovatelné vody od 0,1 do 30 kg na 1 m³ vháněného vzduchu, který se nejdříve předběžně ionizuje v nestejnorodém elektrostatickém poli koronárních výbojů při napětí mezi elektrodami o hodnotách volených v rozmezí od 3 kV do 10 milionů V při hodnotách proudu korony mezi elektrodami v rozmezí hodnot 10 až 1000 mA a při specifickém výkonu elektrických výbojů v rozmezí hodnot od 0,1 do 10 kWh na 1 m³ upravované tekutiny.

Také je podstatou vynálezu, že vháněný vzduch se před ionizací doplňuje o reagenty s vysokým specifickým odporem přesahujícím hodnoty 10⁷ Ohm.cm, jejichž množství dávkování se pohybuje v rozmezí hodnot 1 až 100 g/m³ vháněného vzduchu.

Konečně je podstatou, že reagenty jsou vybrány ze skupiny CaO nebo SiO₂ nebo AI₂O₃ a že vhánění vzduchu do čištěné tekutiny je realizováno vysokorychlostním ventilátorem.

Spojením plynodynamického procesu disperze upravované vody s elektroíyzikálním procesem ionizace ventilátorového vzduchu, který vodu rozptyluje, se umožnilo odstranit veškeré difuzní omezení rychlosti průběhu fyzikálně chemických interakcí látek v kapalné a plynné fázi. Dále se podařilo zabezpečit podmínky pro okysličení škodlivých příměsí a destruované struktury mikroorganizmů vysoce aktivními volnými radikály, atomy a molekulami ozonu a oxidovaných komplexů atomů kyslíku a dusíku. Vzhledem ke skutečnosti, že základní technické parametry procesu, tedy rychlost proudu plynu, regulace výšky hladiny kapaliny v použitém čisticím zařízení, napětí na elektrodách a intenzita proudění koronárních výbojů mezi elektrodami, jsou lehce nastavitelné a řiditelné v široké škále kombinací technických parametrů, je možno způsob čištění použít a snadno přizpůsobit různými objemům a stupni znečištění kapaliny. Protože jsou použité procesy rozptýlení upravované vody a procesy ionizace ventilátorového vzduchu koronárními elektrickými výboji termodynamicky spolehlivé, zvyšuje se dále spolehlivost funkce a zmenšují nároky na obsluhu a údržbu používaného zařízení. Nezanedbatelným přínosem je pak minimální spotřeba reagentů, čímž se dále snižují náklady na čisticí proces.

Přehled obrázků na výkresech

Pro objasnění předkládaného vynálezu uplatněného pro čištění volných hladin přírodních vod, například jezer, rybníků, přehradních nádrží či řek, je přikládáno základní schéma zařízení k provádění způsobu, kde obr. 1 představuje půdorysný pohled na odkrytované zařízení, jehož těleso je tvořeno trupem plavidla, a obr. 2 příčný vertikální řez tímto zařízením v rovině A-A.

-2CZ 297103 B6

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Pro čištění povrchových vrstev přírodní vody ve vodních nádržích, kde byla zjištěna nadměrná koncentrace mikroorganizmů, například sinic, a organických sloučenin s obsahem fosforu, fenolů a povrchově aktivních látek, například pracích prášků, se používá zařízení plovoucího typu, pomocí něhož je realizován nárokovaný způsob.

Popisované zařízení je tvořeno dutým podlouhlým tělesem 1, sestávajícím z bočních stěn 101, dna 102 opatřeného středovým sběrným žlabem 103, z šípovitého předního čela 104, zadního čela 105 a horního odnímatelného víka 106, čímž je vytvořena nádrž pro realizaci čisticího procesu. V předním čele 104 jsou symetricky vytvořeny dva nátokové otvory 107 umožňující přítok znečištěné vody, v zadním čele 105 dva výtokové otvory 108 pro odtok vyčištěné vody a v horní části bočních stěn 101 sady bočních oken 109. V oblasti zaústění nátokových otvorů 107 je v nádrži umístěn ventilátor 2, který je opatřený jednak vstupním hrdlem 21 pro umožnění přívodu nasávaného vzduchu a jednak zásobníkem 3 reagentů. Na výstupu vzduchu z ventilátoru 2 je umístěn ionizátor 4, tvořený soustavou elektrod 41, které jsou napojeny na generátor 5 vysokého napětí. Ionizátor 4, tedy jeho elektrody 41, jsou umístněny ve vzduchové komoře 6, ohraničené směrem dolů nezavřeným pláštěm 7, jehož spodní část je opatřena šikmo vzhůru bočně vedenými kanály 71, skloněnými vzhledem k horizontální rovině pod úhlem 30 až 50° a ohraničenými horními přepážkami 72 a spodními přepážkami 73. Nad vyústěním kanálů 71 jsou umístěny sběrače 8 kapek a vedle vyústění kanálů 71 jsou vytvořeny podél bočních stěn 101 tělesa 1 vedené boční komory HO. Do bočních komor 110 jsou svými sacími hrdly 91 zaústěna čerpadla 9, pomocí nichž je čištěná voda přiváděna do dolní části filtrů 10, tvořených například zrnitými filtry s aktivním uhlím o výšce filtrační vrstvy 0,5 až 2 m a o rychlosti filtrace 1 m/min. Čistá voda se pak z horní části filtrů 10 odvádí výtokovými otvory 108 zpět do vodní nádrže.

Pro realizaci daného zařízení byl použit středotlaký ventilátor 2 o výkonu 60.000 m³/h při výstupním tlaku 5 kPa, jehož spotřeba elektrické energie se pohybovala v rozmezí hodnot 80 až 85 kW. Jako generátory 5 vysokého napětí byly použity agregáty s napájecím napětím 380 V, vysokým napětím do 80 kV, přičemž hustota proudu pro hladké koronární elektrody 41 byla v rozpětí 0,08 až 0,1 miliampér/m.

Při čištění vody je vzduch z ventilátoru 2 přiváděn mezi elektrody 41 ionizátoru 4, které vytvářejí volné elektrony a volné radikály, jimiž se vzduch sytí. Poté je přiváděn do kanálů 71 naplněných znečištěnou vodou, kterou je profukován. Při tomto profukování rychlostí 10 až lOOm/s při specifické spotřebě rozptylované vody od 0,1 do 30 kg/m³, která je závislá na výšce hladiny v nádrži tělesa 1, se voda efektivně rozptýlí na velké množství kapek a pěnu s velkým aktivním povrchem interakce kapalné a plynné fáze, když hydraulický odpor kanálů 71 činí 1,5 až 10 kPa. Upotřebený ventilátorový vzduch prochází přes sběrače 8 kapek a poté je odváděn bočními okny 109 vně tělesa 1. Pěna z okysličených organických sloučenin a mikroorganizmů je odváděna z horní části bočních komor 110 neznázorněným speciálním čerpadlem ke zpracování a kal z anorganických škodlivých látek usazený ve středovém sběrném žlabu 103 u dna 102 tělesa 1 je pravidelně odstraňován pomocí rovněž neznázorněného kalového čerpadla.

Pro intenzifikaci procesů čištěné vody s pomocí reagentů se přes zásobník 3 do ventilátorového vzduchu přivádějí koagulanty, flokulanty a adsorbenty, které způsobují zvětšení koncentrace volných elektronů v upravované vodě na základě jejich adsorpce na povrchu částic pevných adsorbentů s vysokým specifickým elektrickým odporem o hodnotách více jak 10⁷Ohm.cm. Uvnitř kanálů 71 tyto částice předávají své elektrické náboje pro destrukci mikroorganizmů a organických sloučenin a usazují se u dna 102, odkud se v podobě kalu odčerpávají.

-3CZ 297103 Β6

Příklad 2

Příslušné technicky upravené zařízení bylo vyzkoušeno pro čištění plynů z hliníkových elektrolyzérů metalurgického závodu pomocí roztoku Na₂CO₃, kde objem čištěných plynů by přibližně 360 m³/h, teplota plynů vstupujících do zařízení 42 až 50 °C, teplota plynů vystupujících ze zařízení 18 až 25 °C a hydraulický odpor plynů byl 0,94 až 2 kPa. Podle chemických rozborů bylo ve složení čištěného plynu zjištěno 32 až 92 g/1 Na₂CO₃, 7 až 60 g/1 NaHCO₃ a 18 až 30 g/1 NaF.

Při rozborech čištěných plynů pak byla naměřena hodnota prašnosti plynů před zařízením v hodnotách 0,16 až 0,27 g/m³ a po průchodu zařízením v hodnotách 0,026 až 0,073 g/m³, což představuje stupeň očištění od prachu a dehtu 85 %. Při zjišťování obsahu HF v plynu byly před zařízením naměřeny hodnoty v rozmezích 1 až 7 mg/m³ a za zřízením hodnoty 0 až 0,8 mg/m³, což představuje dosažení stupně očištění plynu od HF 70 až 100 %.

Příklad 3

Předkládaná metoda byla odzkoušena při čištění plynů od uhelného prachu parního kotle vyrábějícího páru v množství 40 t/h a vytápěného kamenným uhlím. Při tomto procesu byl naměřen objem vystupujících plynů 100.000 m³/h, počáteční prašnost plynů 12,29 až 35,8 g/m³ a hydraulický odpor zařízení 1,4 kPa a zbytková prašnost vystupujících plynů 0,160 až 0,276 g/m³. Stupeň očištění plynů je tedy roven přibližně hodnotě 99 %.

Průmyslová využitelnost

Způsobů čištění tekutin, zejména kapalin, od škodlivých příměsí a mikroorganizmů podle vynálezu lze jej využít jak pro čištění vod v přírodních nádržích, tak v komunálním hospodářství při čištění pitné vody nebo při čištění městských i průmyslových odpadních vod a kalů. Způsob čištění tekutin je rovněž využitelný v energetice, chemii a metalurgii při fyzikálně chemické úpravě nejrůznějších tekutých médií včetně tavenin a plynů.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Způsob čištění tekutin, zejména kapalin, od škodlivých příměsí a mikroorganizmů za použití provzdušňování a působení elektrických výbojů, vyznačující se tím, že čištěná tekutina se podrobuje plynodynamické disperzi pomocí vháněného vzduchu v kanálech skloněných pod úhlem 30 až 50° vzhledem k hladině čištěné tekutiny při rychlosti proudění vháněného vzduchu o velikosti 10 až 100 m/s, při hydraulickém odporu kanálů pohybujícím se v rozmezí hodnot od 1,5 do 10 kPa a při specifické spotřebě dispergované vody od 0,1 do 30 kg na 1 m³ vháněného vzduchu, který se nejdříve předběžně ionizuje v nestejnorodém elektrostatickém poli koronárních výbojů při napětí mezi elektrodami o hodnotách volených v rozmezí od 3 kV do 10 milionů V při hodnotách proudu korony mezi elektrodami v rozmezí hodnot 10 až 1000 mA a při specifickém výkonu elektrických výbojů v rozmezí hodnot od 0,1 do 10 kWh na 1 m³ upravované tekutiny.

2. Způsob čištění tekutin podle nároku 1, vyznačující se t í m, že vháněný vzduch se před ionizací doplňuje o reagenty s vysokým specifickým odporem přesahujícím hodnoty 10⁷0hm.cm, jejichž množství dávkování se pohybuje v rozmezí hodnot 1 až 100 g/m³vháněného vzduchu.

-4CZ 297103 B6

3. Způsob čištění tekutin podle nároku 2, vyznačující se tím, že reagenty jsou vybrány ze skupiny CaO nebo SiO₂ nebo AI₂O₃.

4. Způsob čištění tekutin podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vhánění 5 vzduchu do čištěné tekutiny je realizováno vysokorychlostním ventilátorem.