RU2334683C2

RU2334683C2 - Method of water purification

Info

Publication number: RU2334683C2
Application number: RU2005124906/15A
Authority: RU
Inventors: Евгений Михайлович Силкин (RU); Евгений Михайлович Силкин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Электроника силовая"
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2008-09-27
Also published as: RU2005124906A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: method implies water purification by electric discharge radiation followed by exposure to chemically reactive particles and radicals generated by electric discharge within oxygen-containing gas filled gap between sectioned metal electrode and water surface. Water is premixed with oxygen-containing gas containing nitrogen, 50÷70% vl of oxygen and 3÷20% vl of argon, krypton or helium.

EFFECT: invention reduces power inputs of water treatment.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании новых установок для очистки и обеззараживания воды повышенной производительности с низкими энергозатратами на обработку воды.The invention relates to electrical technology and can be used in the design of new installations for cleaning and disinfecting water with increased productivity with low energy consumption for water treatment.

Известен способ очистки воды путем воздействия излучения электрического разряда и последующего воздействия химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде непосредственно в смеси воды с кислородсодержащим газом (П. 2233244 РФ, МКИ С02F 1/46. Реактор для обработки жидкостей / Б.Г.Шубин., М.Б.Шубин // Заявл. 22.04.03., Опубл. 27.07.04. БИМП №35).A known method of water purification by exposure to radiation of an electric discharge and the subsequent exposure to chemically active particles and radicals generated during an electric discharge directly in a mixture of water with an oxygen-containing gas (P. 2233244 RF, MKI C02F 1/46. A reactor for processing liquids / B.G. Shubin., M.B.Shubin // Declared on April 22, 2003., Published on July 27, 04. BIMP No. 35).

Недостатком способа очистки воды являются высокие энергозатраты на обработку воды, что обусловлено отрицательным шунтирующим влиянием электрических водных перемычек, периодически образующихся в разрядном промежутке, что приводит к значительным дополнительным потерям энергии.The disadvantage of this method of water treatment is the high energy consumption for water treatment, due to the negative shunt effect of electric water jumpers periodically formed in the discharge gap, which leads to significant additional energy losses.

Известен способ очистки воды путем воздействия излучения электрического разряда и последующего воздействия химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды (Воздействие факельного разряда на воду / В.М.Лелевкин, А.В.Токарев и др. // Тез. докл. конф., посвящ. воде: Экология и технология (ЭКВАТЭК-98). М., 26-30 мая 1998 г. Изд. «СИБИКО И.», 1998. - С.660).A known method of water purification by exposure to radiation of an electric discharge and subsequent exposure to chemically active particles and radicals generated by an electric discharge in the gap filled with an oxygen-containing gas between the sectioned metal electrode and the surface of the water (Effect of a torch discharge on water / V.M. Lelevkin, A.V. . Tokarev et al. / / Abstract of the conference dedicated to water: Ecology and technology (EKVATEK-98). M., May 26-30, 1998. SIBIKO I., 1998. - S. 660).

Недостатком способа очистки воды являются высокие энергозатраты на обработку воды, что обусловлено низкой интенсивностью излучения и малым выходом химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде используемой формы, а также низкой эффективностью воздействия на обрабатываемую воду основных факторов электрического разряда (воздействие осуществляется фактически только на поверхностный слой обрабатываемой воды).The disadvantage of this method of water treatment is the high energy consumption for water treatment, which is due to the low radiation intensity and low yield of chemically active substances and radicals generated by the electric discharge of the form used, as well as the low efficiency of the main factors of the electric discharge on the treated water (the effect is actually only surface layer of treated water).

Известен способ очистки воды путем воздействия излучения электрического разряда и последующего воздействия химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды (Пискарев И.М., Аристова Н.А. Генерирование озоно-гидроксильной смеси и ее применение // Тез. докл. конф., посвящ. озону и другим экологически чистым окислителям. М., 7-9 июня 2005 г. Изд. «Книжный дом Университет», 2005. - С.184).A known method of water purification by exposure to radiation of an electric discharge and subsequent exposure to chemically active particles and radicals generated during an electric discharge in the gap filled with an oxygen-containing gas between the sectioned metal electrode and the surface of the water (Piskarev I.M., Aristova N.A. Generation of ozone-hydroxyl mixtures and its use // Thesis doc. conf., dedicated to ozone and other environmentally friendly oxidizing agents. M., June 7-9, 2005. Publishing house "Book House University", 2005. - P.184).

Указанный способ очистки воды является наиболее близким по технической сущности к изобретению и рассматривается в качестве прототипа.The specified method of water purification is the closest in technical essence to the invention and is considered as a prototype.

Изобретение направлено на решение задачи снижения энергозатрат на обработку воды, что является целью изобретения.The invention is aimed at solving the problem of reducing energy costs for water treatment, which is the purpose of the invention.

Указанная цель достигается тем, что в способе очистки воды путем воздействия излучения электрического разряда и последующего воздействия химически активных частиц и радикалов, образующихся при электрическом разряде в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды, воду предварительно смешивают с кислородсодержащим газом, содержащим азот, 50÷70% об. кислорода и 3÷20% об. аргона, криптона или гелия.This goal is achieved by the fact that in the method of purifying water by exposure to radiation of an electric discharge and subsequent exposure to chemically active particles and radicals generated by an electric discharge in the gap filled with an oxygen-containing gas between the sectioned metal electrode and the surface of the water, the water is pre-mixed with an oxygen-containing gas containing nitrogen , 50 ÷ 70% vol. oxygen and 3 ÷ 20% vol. argon, krypton or helium.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является снижение энергозатрат на обработку воды, что достигается повышением интенсивности излучения электрического разряда, интенсификацией процессов синтеза и увеличением выхода химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде, более эффективным и полным использованием всех активных факторов электрического разряда при обработке воды.A significant difference that characterizes the invention is the reduction of energy consumption for water treatment, which is achieved by increasing the intensity of radiation of the electric discharge, intensifying the synthesis processes and increasing the yield of chemically active substances and radicals generated by the electric discharge, more efficient and full use of all active factors of the electric discharge during processing water.

Снижение энергозатрат на обработку воды является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями, порядком их выполнения в заявляемом способе очистки воды, то есть отличительными признаками изобретения Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа очистки воды являются существенными.Reducing energy costs for water treatment is the technical result obtained due to new actions, the order of their implementation in the inventive method of water purification, that is, the hallmarks of the invention. Thus, the hallmarks of the proposed method of water treatment are significant.

На чертеже приведена функциональная схема реактора с элементами конструкции для реализации заявляемого способа очистки воды, поясняющая новый принцип осуществления электрического разряда в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью обрабатываемой воды. Реактор содержит резервуар 1, частично заполняемый обрабатываемой водой, с патрубками 2 для подвода исходной и отвода обработанной воды, с размещенным в нижней части диспергатором 3 для ввода в обрабатываемую воду кислородсодержащего газа, секционированный металлический электрод 4, установленный над обрабатываемой водой с промежутком 5, заполненным кислородсодержащим газом, источник питания 6, выводы которого подключены к секционированному металлическому электроду и контакту 7, помещенному в обрабатываемую воду.The drawing shows a functional diagram of a reactor with structural elements for implementing the inventive method of water purification, explaining the new principle of electric discharge in the gap filled with oxygen-containing gas between the partitioned metal electrode and the surface of the treated water. The reactor contains a tank 1, partially filled with the treated water, with nozzles 2 for supplying the source and removal of the treated water, with a dispersant 3 located in the lower part for introducing oxygen-containing gas into the treated water, a sectioned metal electrode 4 mounted above the treated water with a gap 5 filled oxygen-containing gas, a power source 6, the terminals of which are connected to a sectioned metal electrode and a contact 7 placed in the treated water.

Способ очистки воды реализуется следующими действиями. Кислородсодержащий газ подвергается предварительной очистке, подготовке по составу (объемные доли γ=(100-α-β)% азота, α=50÷70% кислорода и β=3÷20% аргона, криптона или гелия) и охлаждению. Инертные газы аргон, криптон и гелий включаются в состав кислородсодержащего газа в любом соотношении, а также в виде единственного компонента, например, только гелий. При этом совокупная объемная доля инертного газа (смеси инертных газов) составляет 3÷20%. Азот (и возможные технические примеси) составляют оставшуюся часть газовой смеси в объемной доле не более 47%.The method of water purification is implemented by the following steps. Oxygen-containing gas is subjected to preliminary purification, preparation by composition (volume fractions γ = (100-α-β)% nitrogen, α = 50 ÷ 70% oxygen and β = 3 ÷ 20% argon, krypton or helium) and cooling. The inert gases argon, krypton and helium are included in the composition of the oxygen-containing gas in any ratio, as well as in the form of a single component, for example, only helium. Moreover, the total volume fraction of inert gas (mixture of inert gases) is 3 ÷ 20%. Nitrogen (and possible technical impurities) make up the remainder of the gas mixture in a volume fraction of not more than 47%.

Подготовленный газ вводится в воду через диспергатор 3 в нижней части резервуара 1. Ввод кислородсодержащего газа в приведенной конструкции осуществляется путем его подачи через пористый элемент диспергатора 3 с размерами пор, обеспечивающими при заданном давлении кислородсодержащего газа однородное смешивание кислородсодержащего газа и обрабатываемой воды с заданными размерами пузырьков газа. Электрический разряд развивается в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным металлическим электродом и поверхностью воды, а также в газовых пузырьках в слое обрабатываемой воды. Очистка воды осуществляется путем воздействия совокупности основных факторов электрического разряда (ультрафиолетовое излучение, химически активные вещества и радикалы, в том числе озон, образующиеся в электрическом разряде, электрическое поле, давление, температура, ультразвук, кавитация). Важную роль играют процессы фотодиссоциации кислорода и фотосинтеза озона ультрафиолетовым излучением разряда в инертных газах.The prepared gas is introduced into the water through the dispersant 3 in the lower part of the tank 1. The oxygen-containing gas in the above design is introduced by supplying it through a porous element of the dispersant 3 with pore sizes that ensure uniform mixing of the oxygen-containing gas and the treated water with given bubble sizes at a given pressure of the oxygen-containing gas gas. An electric discharge develops in the gap filled with an oxygen-containing gas between the sectioned metal electrode and the surface of the water, as well as in gas bubbles in the layer of treated water. Water purification is carried out by exposure to a combination of the main factors of the electric discharge (ultraviolet radiation, chemically active substances and radicals, including ozone generated in the electric discharge, electric field, pressure, temperature, ultrasound, cavitation). An important role is played by the processes of oxygen photodissociation and ozone photosynthesis by ultraviolet radiation of a discharge in inert gases.

Избыточное давление кислородсодержащего газа составляет 0,06÷0,09 МПа. Диспергатор 3 выполняется из металлокерамики или нержавеющей стали с размерами пор 30÷100 мкм.The excess pressure of the oxygen-containing gas is 0.06 ÷ 0.09 MPa. Dispersant 3 is made of cermet or stainless steel with a pore size of 30 ÷ 100 microns.

Реактор для реализации способа очистки воды работает следующим образом. Под действием внешнего напряжения источника питания 6, приложенного между секционированным металлическим электродом 4 и поверхностью обрабатываемой воды, которая выполняет роль второго электрода, в тонком газовом слое промежутка 5 между секционированным металлическим электродом 4 и поверхностью воды возбуждается электрический разряд. Разряд имеет структуру отдельных локальных разрядов, привязанных к поверхностям секций секционированного металлического электрода 4, как в промежутке, так и газовых пузырьках в слое обрабатываемой воды. В локальных разрядах происходит диссоциация молекул кислорода. Образующиеся в результате диссоциации атомы кислорода взаимодействуют с молекулами кислорода, в результате чего образуются молекулы озона. Одновременно атомарный кислород сам является химически активным, и часть его участвует в окислительных реакциях самостоятельно, так как имеют место условия для оперативного воздействия кислородсодержащего газа на обрабатываемую воду и осуществления в ней окислительных реакций. Другим химически активным радикалом, который образуется в электрическом разряде, является гидроксильный радикал. Гидроксильный радикал один из самых сильных известных окислителей. Так как электрический разряд возбуждается непосредственно в промежутке над поверхностью воды, а также в пузырьках кислородсодержащего газа в слое обрабатываемой воды, и имеют место интенсивные массообменные процессы, возможен быстрый перевод всех химически активных веществ и радикалов, способных участвовать в реакциях с примесями, в обрабатываемую воду. Развитие электрического разряда в пузырьках газа заявляемого состава в слое воды существенно повышает эффективность синтеза химически активных веществ и радикалов, в том числе озона, способных участвовать в реакциях с примесями в обрабатываемой воде, а также эффективность их смешивания с водой, воздействия на примеси и проведения окислительных химических реакций. Электрический разряд в газе заявляемого состава является источником интенсивного ультрафиолетового излучения, в том числе и в вакуумной области. Осуществление электрического разряда в пузырьках кислородсодержащего газа непосредственно в слое воды позволяет эффективно использовать ультрафиолетовое излучение для интенсификации, как электрического разряда, так и синтеза химически активных веществ и радикалов, в том числе озона, а также проведения окислительных реакций в обрабатываемой воде. Добавление в кислородсодержащий газ инертных газов (аргона, криптона или гелия) обеспечивает снижение напряжения зажигания электрического разряда. Электрический разряд в инертных газах (аргоне, криптоне или гелии) является источником ультрафиолетового излучения с оптимальными длинами волн, интенсифицирующего процессы, как в самом электрическом разряде, так и синтеза химически активных веществ и радикалов, в том числе озона, способных участвовать в реакциях с примесями в обрабатываемой воде. Электрический разряд заявляемой формы характеризуется высокой стабильностью. Предварительная очистка и охлаждение кислородсодержащего газа повышают равномерность и стабильность электрического разряда в разрядном промежутке и в пузырьках кислородсодержащего газа в слое обрабатываемой воды.The reactor for implementing the method of water purification works as follows. Under the action of the external voltage of the power supply 6 applied between the partitioned metal electrode 4 and the surface of the treated water, which acts as the second electrode, an electric discharge is excited in the thin gas layer of the gap 5 between the sectioned metal electrode 4 and the water surface. The discharge has the structure of individual local discharges tied to the surfaces of sections of a sectioned metal electrode 4, both in the gap and in gas bubbles in the layer of treated water. In local discharges, oxygen molecules dissociate. Oxygen atoms formed as a result of dissociation interact with oxygen molecules, as a result of which ozone molecules are formed. At the same time, atomic oxygen itself is chemically active, and part of it participates in oxidative reactions on its own, since there are conditions for the prompt action of an oxygen-containing gas on the treated water and the implementation of oxidative reactions in it. Another chemically active radical that forms in an electric discharge is a hydroxyl radical. The hydroxyl radical is one of the most powerful oxidizing agents known. Since an electric discharge is excited directly in the gap above the surface of the water, as well as in oxygen-containing gas bubbles in the layer of the treated water, and intense mass transfer processes take place, it is possible to quickly transfer all chemically active substances and radicals capable of participating in reactions with impurities to the treated water . The development of an electric discharge in gas bubbles of the claimed composition in a water layer significantly increases the efficiency of the synthesis of chemically active substances and radicals, including ozone, capable of participating in reactions with impurities in the treated water, as well as the efficiency of their mixing with water, effects on impurities and oxidative chemical reactions. An electric discharge in a gas of the claimed composition is a source of intense ultraviolet radiation, including in the vacuum region. The implementation of the electric discharge in oxygen-containing gas bubbles directly in the water layer allows the efficient use of ultraviolet radiation to intensify both the electric discharge and the synthesis of chemically active substances and radicals, including ozone, as well as carrying out oxidative reactions in the treated water. The addition of inert gases to the oxygen-containing gas (argon, krypton, or helium) reduces the ignition voltage of the electric discharge. An electric discharge in inert gases (argon, krypton or helium) is a source of ultraviolet radiation with optimal wavelengths that intensifies processes both in the electric discharge itself and the synthesis of chemically active substances and radicals, including ozone, which can participate in reactions with impurities in the treated water. The electric discharge of the claimed form is characterized by high stability. Preliminary treatment and cooling of oxygen-containing gas increase the uniformity and stability of the electric discharge in the discharge gap and in oxygen-containing gas bubbles in the layer of treated water.

Кислородсодержащий газ поступает в разрядный промежуток через поры в структуре пористого элемента диспергатора 3. Кислородсодержащий газ внутрь пористого элемента диспергатора 3 подается под избыточным давлением. Изменением величины избыточного давления кислородсодержащего газа возможны стабилизация и регулирование процесса обработки воды и параметров электрического разряда. Ввод в реактор и вывод из реактора обрабатываемой воды осуществляется через патрубки 2 в резервуаре 1.Oxygen-containing gas enters the discharge gap through the pores in the structure of the porous element of the dispersant 3. Oxygen-containing gas inside the porous element of the dispersant 3 is supplied under excess pressure. By changing the excess pressure of the oxygen-containing gas, stabilization and regulation of the water treatment process and the parameters of the electric discharge are possible. Input to the reactor and withdrawal of the treated water from the reactor is carried out through nozzles 2 in the tank 1.

Возможен вариант предварительного смешивания воды с кислородсодержащим газом вне зоны реактора, например, в отдельном резервуаре любым из известных способов (барботирование, эжектирование, противоточная абсорбция). После смешивания с газом подготовленная вода подается в реактор, где обрабатывается электрическим разрядом.It is possible to pre-mix water with an oxygen-containing gas outside the reactor zone, for example, in a separate tank by any of the known methods (sparging, ejection, countercurrent absorption). After mixing with the gas, the prepared water is supplied to the reactor, where it is processed by electric discharge.

Обработку воды с исходным ХПК 2100 мг/дм³ в реакторе рассмотренной конструкции производили при следующих параметрах: состав кислородсодержащего газа в объемных долях азота 33%, кислорода 60%, аргона 7%; избыточное давление кислородсодержащего газа 0,07 МПа; расстояние между электродами и поверхностью воды 10 мм, напряжение источника питания 15 кВ. Диспергатор был выполнен из нержавеющей стали и имел размер пор 60 мкм.Water treatment with the initial COD of 2100 mg / dm ³ in the reactor of the considered design was carried out with the following parameters: the composition of the oxygen-containing gas in volume fractions of nitrogen 33%, oxygen 60%, argon 7%; excess pressure of an oxygen-containing gas 0.07 MPa; the distance between the electrodes and the surface of the water is 10 mm, the voltage of the power source is 15 kV. The dispersant was made of stainless steel and had a pore size of 60 μm.

При обработке 1 м³ воды и мощности источника питания около 10 кВт одинаковый результат снижения ХПК достигается при 1 ч работы установки с подготовленным кислородсодержащим газом и 2,7 ч работы при отключенном диспергаторе (без предварительного смешивания воды с кислородсодержащим газом) с использованием обычного воздуха. Давление газа в промежутке между секционированным электродом и поверхностью воды поддерживалось постоянным.When treating 1 m ^{3 of} water and a power source of about 10 kW, the same COD reduction result is achieved at 1 h of operation of the unit with prepared oxygen-containing gas and 2.7 h of operation with the dispersant switched off (without preliminary mixing of water with an oxygen-containing gas) using ordinary air. The gas pressure between the sectioned electrode and the surface of the water was kept constant.

По сравнению с прототипом имеет место существенное снижение энергозатрат на обработку воды, что достигается снижением дополнительных непроизводительных потерь энергии, интенсификацией излучения и процессов синтеза химически активных веществ и радикалов, более полным использованием всех активных факторов электрического барьерного разряда (ультрафиолетовое излучение в вакуумной области, химически активные вещества и радикалы, в том числе озон, образующиеся в электрическом разряде, электрическое поле, давление, температура, ультразвук, кавитация) при обработке воды, стабильностью и равномерностью новой формы электрического разряда в заполненном кислородсодержащим газом промежутке между секционированным электродом и поверхностью воды и в газовых пузырьках в слое воды. Энергозатраты на обработку воды (по сравнению с прототипом) могут быть снижены 2,0÷2,5 раза.Compared with the prototype, there is a significant reduction in energy costs for water treatment, which is achieved by reducing additional unproductive energy losses, intensifying radiation and the processes of synthesis of chemically active substances and radicals, making more complete use of all active factors of the electric barrier discharge (ultraviolet radiation in the vacuum region, chemically active substances and radicals, including ozone generated in an electric discharge, electric field, pressure, temperature, ultrasound k, cavitation) during water processing, stability and uniformity of a new form of electric discharge in an oxygen gas-filled gap between the electrode and the partitioned water surface and the gas bubbles in the water layer. Energy costs for water treatment (compared with the prototype) can be reduced 2.0 ÷ 2.5 times.

Claims

The method of water purification by exposure to radiation of an electric discharge and the subsequent exposure to chemically active particles and radicals generated by an electric discharge in the gap filled with an oxygen-containing gas between the sectioned metal electrode and the surface of the water, characterized in that the water is pre-mixed with an oxygen-containing gas containing nitrogen, 50 ÷ 70 vol.% Oxygen and 3 ÷ 20 vol.% Argon, krypton or helium.