Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zvýšení efektivity odstraňování těkavých organických látek (VOC) z kontaminovaných vod synergickým využitím solární energie k urychlení separace a k prodloužení doby využitelnosti.

Dosavadní stav techniky

Těkavé organické látky patří v České republice jednoznačně k nejčastěji sanovaným kontaminantům. Česká inspekce životního prostředí (ČIŽP) vede podle zákona č. 245/2001 Sb., o vodách, od roku 2002 centrální evidenci havárií. Z výročních zpráv této státní organizace vyplývá, že více než 50 % havarijních znečištění vod je spojeno s těkavými organickými látkami. Bylo zjištěno několik základních skutečností:

- existuje velké množství vod kontaminovaných VOC,

- mnoho z nich je v odlehlých místech,

- účinnost stávajících zařízení je omezena kapacitou zařízení (účinnost x objem prošlé vody),

- stávající zařízení jsou náročná na prostor a energii a jejich celoroční provoz je omezen zimním obdobím, kdy dochází k technickým problémům se zamrzáním některých technologických částí.

Aktuální stav techniky byl prověřen patentovou a nepatentovou rešerší. Nepatentová literatura byla prověřena v databázích nakladatelství ELSEVIER a WILEY. Patentové spisy byly prověřeny z databáze Evropského patentového úřadu pomocí aplikace ESPACENET. Průzkum byl prováděn zejména pomocí klíčových slov úzce souvisejících s danou tematikou: heating, solar, decontamination, water, VOC apod. Velká část nalezených odkazů v nepatentové literatuře se týkala obecně solární energie, odkazující na oblasti astronomie, klimatologie apod., tedy tematicky zcela odlišných oblastí. Při zadání kombinací klíčových slov (např. solar + xxxxx) byly vygenerovány některé výsledky, v nichž se hledané výrazy vyskytovaly nezávisle na sobě, takže v této skupině vygenerovaných odkazů nebyly nalezeny žádné relevantní dokumenty. Část odkazů směřovala k procesu pervaporace. Proto byl průzkum proveden také v oblasti solárního ohřevu v souvislosti s membránami. Proces pervaporace (PV) jako separační metody pro odstraňování těkavých organických látek je již dlouhou dobu znám, viz článek Drioliho a Curcia s názvem Perspective Membrane engineering for process intensification: a perspective (DOI: 10.1002/jctb.1650). Článek pojednává v teoretické rovině o možnostech procesu intenzifikace s využitím membrán (membránových procesů) namísto konvenčních technologií.

Zpráva Camera-Roda a Santarelliho s názvem Design of a Pervaporation Photocatalytic Reactor for Process Intensification (DOI: 10.1002/ceat.201100687) se zaměřuje na vytvoření fotokatalytického reaktoru, jež by zvýšil účinnost pervaporačního procesu za využití solární energie. Jedná se zejména o využití UV-A složky záření, využití fotolýzy, tedy rozkladu některých látek působením světla, s využitím katalyzátoru. Tato metoda využívá TiO₂. Rozměry a operativní podmínky pro fotoreaktor musí být voleny tak, aby byla efektivně využita energie záření vzhledem k objemu reaktoru. Zpráva se zabývá studiem optimálních hodnot parametrů, které mohou zvýšit výnosy při fotokatalytické syntéze chemické sloučeniny. Zpráva jen okrajově zmiňuje možnost využití tepelné složky slunečního záření, jako doplňujícího zdroje energie pro výpar těkavé složky směsi. Tato problematika však nijak neřeší.

- 1 CZ 305017 B6

Využití foto-reaktoru je popsáno v příspěvku A new combination of a membrane and a photocatalytic reactor for the depoliution of turbid water. Příspěvek upozorňuje na skutečnost, že kombinace fotokatalýzy a membránové destilace zabraňuje problému zarůstání membrány.

Při nepatentové ani patentové rešerši nebyl nalezen žádný dokument popisující řešení nebo způsob čištění vod tak, jak je navrhují původci. Existuje řada studií zaměřených na zvýšení efektivity dekontaminačního procesu, nicméně žádný odkaz popisující využití solárního ohřevu za účelem zvýšení účinnosti dekontaminace vody od organických těkavých látek a dále za účelem prodloužení možnosti separace v terénních podmínkách během roku nebyl nalezen.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob zvýšení efektivity odstraňování těkavých organických látek z kontaminovaných vod synergickým využitím solární energie k urychlení separace a k prodloužení doby využitelnosti, podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že solární energií je ohřívána kontaminovaná voda, která je po ohřátí buď dekontaminována přímo, neboje v době dostatečného slunečního svitu akumulována do tepelně izolované akumulační nádoby. Po dosažení zvýšené teploty kontaminované vody je spuštěn dekontaminační proces přes vhodné sanační zařízení, ve kterém přechází kontaminant z vody do plynné fáze (vzduchu). K přechodu kontaminantu z kapalné do plynné fáze dochází při využití některého z uvedených procesů pervaporace nebo různých forem aerace. Zvýšení teploty vede ke dvěma synergickým efektům, zvyšujícím účinnost, oba efekty však lze využít i separované:

a) většina VOC má ve vodných roztocích Henryho konstantu rostoucí se zvyšující se teplotou (obdobně platí pro difúzní koeficient, který také s teplotou roste), takže zvýšením teploty dojde při jinak stejných podmínkách k odstranění většího množství polutantu (VOC). To umožní zvýšit stupeň vyčištění kontaminované vody nebo zvýšit množství čištěných vod za jednotku času při zachování stejné výstupní koncentrace VOC.

b) ohřátí vody a její akumulace v izolované akumulační nádrži umožní provozovat dekontaminaci (sanační technologii) i v období, kdy okolní (venkovní) teplota klesne pod bod mrazu, kdy již tradiční technologie musí být odstaveny, aby nezamrzaly.

Proces čištění vody kontaminované VOC začíná čerpáním kontaminované vody z jímacího objektu. Po nasátí vody čerpadlem je voda předčištěna filtrem pro záchyt mechanických nečistot, případně, v závislosti na chemickém složení vody, systémem pro odstranění oxidů a hydroxidů železa a manganu. Voda od čerpadla je dále přivedena přívodním potrubím do rekuperační jednotky. Voda dále proudí potrubím do solárního kolektoru a pokračuje potrubím do sanačního zařízení, odkud se vrací potrubím do rekuperační jednotky, ze které odtéká výstupem z technologie.

Mezi solárním kolektorem a sanačním zařízením je umístěno teplotní čidlo. V případě, že teplota vody překročí kritickou teplotu, přivře se ventil na přívodu ze solárního panelu a otevře se ventil, přes který se čerpá studená voda zjímacího objektu. Přivedená studená voda se následně smísí s teplou vodou ze solárního kolektoru. Po poklesu teploty vody na stanovenou úroveň, dojde k uzavření přívodního ventilu vody zjímacího objektu a plnému otevření ventilu od solárního kolektoru. Při technickém provedení lze oba ventily nahradit jedním trojcestným ventilem.

Proces čištění vody se vsádkovou variantou s přímým ohřevem začíná čerpáním kontaminované vody zjímacího objektu, která je přivedena přívodním potrubím do rekuperační jednotky. Odtud voda vtéká do zásobníku a ze zásobníku je voda pomocí čerpadla čerpána do solárního kolektoru, odkud ohřátá teče přes zavzdušňovací nálevku zpět do zásobníku. Po dosažení požadované teploty je voda za pomocí čerpadla vedena potrubím do sanačního zařízení, kde je zbavena obsahu VOC. Ohřátá voda bez VOC je odváděna ven přes rekuperační jednotku, odkud je odvedena výstupem vně technologie.

-2CZ 305017 B6

Vsádková varianta s přímým ohřevem je koncipována za účelem prodloužení doby provozu jednotky během kalendářního roku. Z důvodu ochrany technologie proti zamrznutí, jsou rekuperační jednotka, sanační zařízení a zásobník, v tepelně izolovaném kontejneru. Také přívodní potrubí je izolované. Aby voda nezamrzala v solárním kolektoru, dojde po přerušení čerpání vody čerpadlem k zpětnému chodu, kdy se voda bude volným spádem vracet zpět do zásobníku. Za tímto účelem je potrubí přerušeno zavzdušňovací nálevkou.

Proces čištění vody kontaminované VOC kontinuální variantou s nepřímým ohřevem začíná čerpáním vody z jímacího objektu, voda je dále přivedena přívodním potrubím do rekuperační jednotky, z které vtéká do zásobníku. Kontaminovaná voda v zásobníku protéká spirálou, kde přebírá teplo z vnějšího ohřátého roztoku. Z ohřáté kontaminované vody jsou následně v sanačním zařízení odstraněny VOC. Voda bez obsahu VOC je přes rekuperační jednotku, kde předá zbytkové teplo vodě přitékající z jímacího objektu, odvedena výstupem ze zařízení vně technologie.

V solárním kolektoru je nemrznoucí směs, která ohřátá proudí potrubím do zásobníku, kde protéká spirálou pro nemrznoucí směs, která, je umístěna pod spirálou s kontaminovanou vodou. Zásobník je naplněn roztokem, který má bod tuhnutí pod 0 °C, např. roztokem soli - solankou. Teplo z nemrznoucí směsi je v zásobníku předáno solance, která zde funguje jako teplosměnné médium, které následně ohřívá kontaminovanou vodu ve spirále. Odvod přebytečného vzduchu při plnění zásobníku solankou je řešen pomocí odvzdušnění.

K přednostem řešení podle tohoto vynálezu patří následující výhody:

1. Předehřevem kontaminované vody dochází k zvýšení účinnosti odstranění VOC z vody, kdy zvýšením teploty dojde k přechodu procesu do oblasti, kde je výrazně vyšší Henryho konstanta a difuzní koeficient těkavých organických látek.

2. Finanční a energetická efektivita pro dlouhodobě stanovené lokality s kontaminovanou podzemní vodou, kde předehřev vody pomocí solárního kolektoru snižuje nároky na velikost sanačního zařízení, kdy s menším zařízením je možno dosáhnout stejné účinnosti jako u standardního zařízení.

3. Prodloužení doby použitelnosti technologie v průběhu roku při práci v terénu - zabránění zamrzání.

4. Cílený solární ohřev kontaminované vody realizovaný za účelem zvýšení efektivity dekontaminačního procesu lze využít také v zařízeních využívajících namísto procesu pervaporace principu aerace či stripování, protože i zde bude docházet k urychlení vypařování kontaminantů na fázovém rozhraní voda/vzduch.

Přidanou hodnotou tohoto vynálezu je využití solárního ohřevu za účelem zvýšení účinnosti dekontaminačního (separačního) procesu při odstraňování VOC z vody. Další přidanou hodnotou je prodlužování pracovní doby zařízení během roku. Se zvýšením účinnosti souvisí i předpoklad zkrácení doby sanace. Tyto vlastnosti jsou konkurenční výhodou.

Proti současným řešením poskytuje nové využití solární energie realizované zapojením solárních kolektorů, akumulační nádrže a výměníků při dekontaminaci vody, znečištěné těkavými organickými látkami, úsporu zvýšením účinnosti procesu.

Objasnění výkresů

Vynález bude objasněn pomocí obrázků, kde na obr. 1A a obr. 1B je schéma kontinuální varianty s přímým ohřevem, obr. 2 představuje vsádkovou variantu s přímým ohřevem a na obr. 3 je kontinuální varianta s nepřímým ohřevem.

-3 CZ 305017 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1: Kontinuální varianta s přímým ohřevem

Proces čištění vody kontaminované VOC začíná čerpáním kontaminované vody zjímacího objektu. Po nasátí vody čerpadlem i, je voda předčištěna filtrem pro záchyt mechanických nečistot, případně, v závislosti na chemickém složení vody, systémem pro odstranění oxidů a hydroxidů železa a manganu. Voda od čerpadla 1 je dále přivedena přívodním potrubím 2.1 do rekuperační jednotky 3. Dále voda proudí potrubím 4 do solárního kolektoru 5 a pokračuje potrubím 6 do sanačního zařízení 7, odkud se vrací potrubím 8 do rekuperační jednotky 3, ze které odtéká výstupem 9 z technologie.

Podle obr. 1A je mezi solárním kolektorem 5 a sanačním zařízením 7 umístěno teplotní čidlo T3 28. V případě, že teplota vody překročí kritickou teplotu, přivře se ventil VI 12 a otevře se ventil V2 13, přes který se čerpá studená voda zjímacího objektu před sanační zařízení 7, pomocí přívodního potrubí 2.2, kde dojde ke smísení s teplou vodou ze solárního kolektoru 5. Po poklesu teploty vody na stanovenou úroveň, dojde k uzavření ventilu V2 13 a plnému otevření ventilu VI 12, kdy bude opět přednostně do sanačního zařízení 7 vstupovat voda ze solárního kolektoru 5. Při technickém provedení lze ventily 12 a 13 nahradit jedním trojcestným ventilem.

Podle obr. 1B je mezi solárním kolektorem 5 a sanačním zařízením 7, konkrétně na styku potrubí 2.2 a 6, umístěn termostatický směšovací trojcestný ventil 27. Jeho funkcí je směšování vody ohřáté v kolektoru a vody zjímacího objektu dle předem zvolené teploty tak, aby nedošlo k poškození vláken v sanačním zařízení 7 horkou vodou.

Varianta podle obr. 1A a obr. 1B je vhodná pro použití zejména v letním období, kdy je dostatek slunečných dní.

Příklad 2: Vsádková varianta s přímým ohřevem

Proces čištění vody kontaminované VOC začíná čerpáním kontaminované vody zjímacího objektu. Po nasátí vody čerpadlem 1, je voda předčištěna filtrem pro záchyt mechanických nečistot, případně, v závislosti na chemickém složení vody, systémem pro odstranění oxidů a hydroxidů železa a manganu. Voda je dále přivedena přívodním potrubím 2 do rekuperační jednotky 3. Odtud vtéká potrubím 29 do zásobníku 1_5. Ze zásobníku 15 je voda pomocí čerpadla C3 14 čerpána do solárního kolektoru 5, odkud vytéká potrubím 30 ohřátá, přes zavzdušňovací nálevku 21 zpět do zásobníku j_5. Ze zásobníku 15 je voda za pomocí čerpadla C2 16 vedena potrubím 20 do sanačního zařízení 7, odtud potrubím 8 přes rekuperační jednotku 3, odkud je odvedena výstupem 9 vně technologie. K vyrovnávání tlaku v akumulační nádrži slouží odvzdušňovací otvor 22.

Tato varianta je koncipována za účelem prodloužení doby provozu jednotky během kalendářního roku. Z důvodu ochrany technologie proti zamrznutí jsou rekuperační jednotka 3, sanační zařízení 7 a zásobník 15, v tepelně izolovaném kontejneru 17. Také přívodní potrubí 2 je izolované. Aby voda nezamrzala v solárním kolektoru 5, dojde po přerušení čerpání vody čerpadlem Č3 14 k zpětnému chodu, kdy se voda bude volným spádem vracet zpět do zásobníku 15. Za tímto účelem je potrubí 30 přerušeno zavzdušňovací nálevkou 21.

Pro fungování procesu čištění obsahuje tato varianta několik čidel a ovládacích prvků, které jsou specifikovány níže:

-4CZ 305017 B6

A) Teplotní čidlo Tl 10 v nádrži

- při dosažení stanovené minimální teploty pro celou operaci separace (např. 4 °C) se vypne čerpadlo Č2 16, které odvádí vodu ze zásobníku 15 do sanačního zařízení 7,

- při dosažení maximální dovolené teploty vody v zásobníku 15 se vypne čerpadlo Č3 14 a vypustí se voda ze solárního kolektoru 5.

B) Teplotní čidlo T2 11 uvnitř potrubí na výstupu ze solárního kolektoru

- při dosažení stanovení minimální teploty (4 °C) dojde k vypnutí čerpadla C3 14, a tím také k vypuštění vody ze solárního kolektoru 5.

Jestliže T2<Tl+5 °C, pak se vypne čerpadlo Č3 14, které čerpá vodu ze zásobníku 15 do solárního kolektoru 5.

C) Čerpání vody z jímacího objektu je regulováno pomocí hladinoměru 19. Při dosažení úrovně dolní hladiny se zapne čerpadlo ČI 1, které se po dosažení horní úrovně hladiny vypne. Výšku horní, ale zejména dolní hladiny je nutno přizpůsobit technickým parametrům dílčích komponent v zásobníku (např. čerpadlu).

Příklad 3: Kontinuální varianta s nepřímým ohřevem

Proces čištění vody kontaminované VOC začíná čerpáním kontaminované vody z jímacího objektu. Po nasátí vody čerpadlem i, je voda předčištěna filtrem pro záchyt mechanických nečistot, případně, v závislosti na chemickém složení vody, systémem pro odstranění oxidů a hydroxidů železa a manganu. Voda je dále přivedena přívodním potrubím 2 do rekuperační jednotky 3. Odtud je potrubím 4 čerpána do zásobníku 15, ve kterém voda dále protéká spirálou 23 pro kontaminovanou vodu. Ze zásobníku 15 je voda potrubím 20 čerpána do sanačního zařízení 7 a následně potrubím 8 do rekuperační jednotky 3, odkud je odvedena výstupem 9 vně technologie. V solárním kolektoru 5 je nemrznoucí směs, která ohřátá proudí potrubím do zásobníku 15, kde protéká spirálou 24 pro nemrznoucí směs, která je umístěna pod spirálou 23 s kontaminovanou vodou. Zásobník 15 je naplněn roztokem, který má bod tuhnutí pod 0 °C, např. roztokem soli solankou. Teplo z nemrznoucí směsi je v zásobníku 15 předáno solance, která zde funguje jako teplosměnné médium, které následně ohřívá kontaminovanou vodu ve spirále 23. Odvod přebytečného vzduchu při plnění zásobníku solankou je řešen pomocí odvzdušnění 22.

Tato varianta také umožňuje prodloužení doby provozu sanační technologie v chladném ročním období, protože teplota tuhnutí solanky se pohybuje okolo -15 °C. Z důvodu ochrany technologie je i v tomto případě sledována teplota, konkrétně teplota roztoku solanky, a to pomocí teplotního čidla Tl 10 a teplota na výstupu ze solárního kolektoru T2 11. Platí zde podmínka jako v předchozí variantě: jestliže T2<Tl+5 °C, pak se vypne čerpadlo ČI I, které čerpá vodu z jímacího objektu. V této variantě je nutno přívodní potrubí 2 do technologie izolovat. Čerpadlo Č4 25 sloužící k pohánění nemrznoucí směsi v solárním kolektoru 5 je nutno napájet pomocí zdroje 26, např. pomocí fotovoltaického panelu.

Při realizaci technického řešení prezentovaných příkladů provedení je potřeba počítat s tepelnými změnami objemů kapalin, které jsou v uzavřených systémech (nemrznoucí kapalina v solárním kolektoru 5 a nemrznoucí teplosměnné medium - solanka; na obr. 3). Vyrovnávání změn objemů kapalin spojených s jejich ohřevem/ochlazováním je možno řešit pomocí expanzních nádrží nebo vhodným volným prostorem. Materiál uvedených spirál není předmětem patentových nároků, může se jednat o polymer, kov nebo jiný teplosměnný materiál. Podstatou „spirálového“ uspořádání je maximalizace plochy styku spirály 23 s kontaminovanou vodou a teplosměnného media, nikoli konkrétní technické provedení, což obdobně platí pro druhou spirálu 24 s nemrznoucí směsí.

Při dostatečném slunečním svitu nebo za účelem snížení ceny může systém (příklady uskutečnění zobrazené na obr. 2 a 3) fungovat i bez rekuperace, ta však zvyšuje účinnost separace. Všechny

-5CZ 305017 B6 popsané varianty je možno realizovat s manuálním nebo automatickým ovládáním. Ovládací prvky nejsou předmětem patentových nároků. Doporučená teplota procesu je 60 °C (odvíjí se např. od odolnosti membrán v sanačním zařízení apod.).

Výměník tepla má kromě funkce předehřevu vody přiváděné od zdroje také funkci chlazení dekontaminované vody, která pak může být přímo vypouštěna do vodoteče. Na výstupu vody z technologie je možno instalovat teplotní čidlo pro kontrolu teploty vypouštěné vody.

Čerpadla 14 a j_6 mají svá ovládání vně tepelně izolovaného kontejneru 17. Způsob provedení jejich ovládání není předmětem patentových nároků, a proto není zobrazen na výkresech. Také způsob nakládání s plynnou fází, odcházející z procesu, kontaminovanou těkavými organickými látkami není předmětem patentových nároků.

Průmyslová využitelnost

Způsob zvýšení efektivity odstraňování těkavých organických látek z kontaminovaných vod synergickým využitím solární energie k urychlení separace a k prodloužení doby využitelnosti je určen pro čištění vod s obsahem VOC. Technologie je vhodná pro čištění podzemních, povrchových a úpravu technologických vod či odpadních vod s obsahem VOC. Technologii lze také použít pro získávání těkavých organických látek z roztoků.

Seznam vztahových značek:

čerpadlo Čí ve zdroji vody přívodní potrubí (větev 2.1a 2.2.) kontaminované vody z jímacího objektu do technologie jednotka rekuperace tepla potrubí z jednotky rekuperace tepla do solárního kolektoru solární kolektor potrubí ze solárního kolektoru do sanačního zařízení sanační zařízení potrubí ze sanačního zařízení do jednotky rekuperace tepla výstup teplotní čidlo TI teplotní čidlo T2 ventil VI ventil V2 čerpadlo Č3 pro čerpání vody ze zásobníku na ohřev do solárního kolektoru zásobník (akumulační nádrž) čerpadlo Č2 ohřáté vody na trase ze zásobníku do sanačního zařízení tepelně izolovaný kontejner vstup do solárního kolektoru hladinoměr potrubí z akumulační nádrže do sanačního zařízení zavzdušňovací nálevka odvzdušnění zásobníku spirála pro kontaminovanou vodu spirála pro nemrznoucí směs čerpadlo Č4 pro nemrznoucí směs v solárním kolektoru zdroj pro napájení čerpadla Č4 termostatický směšovací trojcestný ventil teplotní čidlo Č3 potrubí z jednotky rekuperace tepla do zásobníku potrubí ze solárního kolektoru do zásobníku