RU94562U1

RU94562U1 - DEVICE FOR TREATMENT OF LIQUIDS BY UV RADIATION

Info

Publication number: RU94562U1
Application number: RU2008146724/22U
Authority: RU
Inventors: Эдуард Анатольевич Соснин; Виктор Федорович Тарасенко; Сергей Михайлович Авдеев
Original assignee: Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Устройство для обработки жидкостей ультрафиолетовым излучением, включающее вертикально расположенную камеру, по внутренней поверхности стенок которой равномерно распределена облучаемая стекающая жидкость, и ультрафиолетовую лампу для облучения жидкости, отличающееся тем, что камера выполнена герметичной в форме цилиндра, в центре которой и параллельно оси расположена лампа ВУФ-диапазона спектра, а камера заполнена газом, оптически прозрачным для ВУФ-излучения, или смесью оптически прозрачного для ВУФ-излучения лампы газа и кислорода или воздуха. A device for treating liquids with ultraviolet radiation, including a vertically located chamber, on the inner surface of the walls of which the irradiated flowing liquid is evenly distributed, and an ultraviolet lamp for irradiating the liquid, characterized in that the chamber is sealed in the form of a cylinder, in the center of which a VUV lamp is located and parallel to the axis spectral range, and the chamber is filled with gas optically transparent for VUV radiation, or with a mixture of gas and oxygen optically transparent for VUV radiation or air.

Description

Изобретение относится к устройствам для обработки жидкостей и может быть использовано в коммунальном хозяйстве, медицине, пищевой промышленности и других отраслях промышленности для обеззараживания жидкостей, очистки промышленных и бытовых сточных вод.The invention relates to a device for processing liquids and can be used in utilities, medicine, food industry and other industries for disinfection of liquids, treatment of industrial and domestic wastewater.

Известно, что оптическое излучение в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра разлагает органику как природного (вирусы, бактерии), так и техногенного (бытовые и промышленные стоки, продукты промежуточных реакций в технологических циклах) происхождения. Поэтому для обработки растворов органических веществ используются реакторы различных типов.It is known that optical radiation in the ultraviolet (UV) range of the spectrum decomposes organic matter, both natural (viruses, bacteria), and technogenic (domestic and industrial effluents, products of intermediate reactions in technological cycles) of origin. Therefore, reactors of various types are used to process solutions of organic substances.

Например, известны устройства, так называемые реакторы погружного типа, состоящие из лампы (или нескольких ламп), помещенной в камеру с обрабатываемой жидкостью и находящейся с ней в контакте [1, 2].For example, devices are known, the so-called submersible type reactors, consisting of a lamp (or several lamps) placed in a chamber with the liquid being processed and in contact with it [1, 2].

Эти устройства получили широкое распространение благодаря простоте ввода излучения в жидкость.These devices are widespread due to the ease of introducing radiation into the liquid.

Общим недостатком таких устройств является постепенное загрязнение оболочки лампы продуктами фотолиза жидкости, потеря прозрачности оболочки лампы и, соответственно, необходимость контроля за состоянием лампы, обусловленная требованиями к надежности устройства.A common disadvantage of such devices is the gradual contamination of the lamp shell by the products of liquid photolysis, the loss of transparency of the lamp shell and, accordingly, the need to monitor the condition of the lamp, due to the reliability requirements of the device.

Чтобы исключить указанный вредный фактор, лампы, например, эксплуатируют в прозрачных для УФ излучения кожухах [3, 4]. Это дополнительно позволяет поддерживать стабильную температуру поверхности лампы, что часто необходимо для стабильности ее светового потока. Однако кожух также нуждается в очистке, его применение усложняет и удорожает конструкцию и ее техническое обслуживание. Кроме того, известно, что вакуумное ультрафиолетовое излучение (ВУФ) в диапазоне длин волн 100-180 нм по сравнению с УФ излучением в диапазоне длин волн 200-400 нм позволяет в на порядок увеличить скорость разложения растворенной в жидкости органики и/или позволяют разлагать вещества, которые нельзя разложить прямым фотолизом УФ излучением [5]. С другой стороны ВУФ излучение сильнее поглощается жидкостью, что уменьшает обрабатываемый объем, на который действует излучение. Поэтому следует дополнительно усовершенствовать использование лампы ВУФ диапазона спектра в фотореакторах погружного типа. Отдельным недостатком описанных погружных устройств является их полная или частичная непригодность для обработки жидкостей с большим коэффициентом поглощения.To exclude the indicated harmful factor, lamps, for example, are operated in cases transparent to UV radiation [3, 4]. This additionally allows you to maintain a stable surface temperature of the lamp, which is often necessary for the stability of its luminous flux. However, the casing also needs to be cleaned; its use complicates and increases the cost of the structure and its maintenance. In addition, it is known that vacuum ultraviolet radiation (VUV) in the wavelength range of 100-180 nm compared with UV radiation in the wavelength range of 200-400 nm can increase the decomposition rate of organics dissolved in liquids by an order of magnitude and / or allow decomposition of substances which cannot be decomposed by direct photolysis by UV radiation [5]. On the other hand, VUV radiation is more strongly absorbed by the liquid, which reduces the processed volume on which the radiation acts. Therefore, it is necessary to further improve the use of the VUV lamp of the spectral range in immersion-type photoreactors. A separate disadvantage of the described immersion devices is their complete or partial unsuitability for processing liquids with a high absorption coefficient.

Известны устройства, состоящие из лампы (или нескольких ламп), помещенной в камеру с обрабатываемой жидкостью и расположенной над поверхностью облучаемой жидкости [6-8]. В этом случае поверхность лампы не контактирует с облучаемой жидкостью, что снимает необходимость в использовании и обслуживании кожухов.Known devices consisting of a lamp (or several lamps) placed in a chamber with a processed fluid and located above the surface of the irradiated liquid [6-8]. In this case, the surface of the lamp does not come into contact with the irradiated liquid, which eliminates the need for use and maintenance of the housings.

Недостатком таких устройств является необходимость использования дополнительных отражателей для сбора излучения на поверхности жидкости и, как следствие, потери излучения и снижение технической эффективности установки в целом. В этом случае, также как и для фотореакторов погружного типа, неэффективно использование ВУФ ламп.The disadvantage of such devices is the need to use additional reflectors to collect radiation on the liquid surface and, as a result, radiation loss and a decrease in the technical efficiency of the installation as a whole. In this case, as well as for submersible photoreactors, the use of VUV lamps is ineffective.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является решение, в котором облучению подвергается тонкий слой жидкости, стекающий по стенкам прямоугольной камеры, а лампы расположены внутри и горизонтально вдоль облучаемых поверхностей [9]. К достоинству устройства относится возможность эффективной обработки суспензий, гелей, масел и жидкостей с большим коэффициентом поглощения (мутные среды). Недостатком является меньшая в сравнении с фотореакторами погружного типа производительность установки. Для ее увеличения, например, используют дополнительные окислители, например, перекись водорода, которую вводят в облучаемую жидкость [9], но это ведет к удорожанию устройства и увеличению затрат на его обслуживание. Кроме того, это устройство неспособно очищать жидкость от оптически прозрачных в УФ диапазоне спектра веществ, например, метанола.The closest in technical essence to the invention is a solution in which a thin layer of liquid is drained, flowing down the walls of a rectangular chamber, and the lamps are located inside and horizontally along the irradiated surfaces [9]. The advantage of the device is the ability to effectively treat suspensions, gels, oils and liquids with a high absorption coefficient (turbid media). The disadvantage is lower productivity of the installation compared to immersion-type photoreactors. To increase it, for example, additional oxidizing agents are used, for example, hydrogen peroxide, which is introduced into the irradiated liquid [9], but this leads to a rise in the cost of the device and an increase in the cost of its maintenance. In addition, this device is unable to clean the liquid from substances that are optically transparent in the UV range of the spectrum, for example, methanol.

Задачей настоящего изобретения является увеличение эффективности обработки жидкостей с большим коэффициентом поглощения и снижение технических затрат на эксплуатацию фотореактора за счет отказа от использования от дополнительных окислителей.The objective of the present invention is to increase the efficiency of processing liquids with a high absorption coefficient and reduce the technical cost of operating a photoreactor due to the rejection of the use of additional oxidizing agents.

Поставленная задача достигается за счет того, что в известном устройстве для обработки жидкостей, состоящем из вертикально расположенной камеры, по внутренней поверхности стенок которой равномерно распределена облучаемая стекающая жидкость и ультрафиолетовой лампы для облучения жидкости и, согласно техническому решению, камера выполнена герметичной в форме цилиндра, в центре которой и параллельно оси расположена лампа ВУФ диапазона спектра, а камера заполнена газом, оптически прозрачным для ВУФ излучения.The problem is achieved due to the fact that in the known device for processing liquids, consisting of a vertically located chamber, on the inner surface of the walls of which the irradiated flowing liquid and an ultraviolet lamp for irradiating the liquid are evenly distributed, and, according to the technical solution, the chamber is sealed in the form of a cylinder, In the center of which and parallel to the axis there is a VUV lamp of the spectrum range, and the chamber is filled with gas optically transparent for VUV radiation.

Кроме того, камера дополнительно имеет внутренние боковые перегородки со стекающей жидкостью и дополнительно размещенными лампами, обеспечивающие максимальное облучение жидкости.In addition, the camera additionally has internal side walls with flowing liquid and additionally placed lamps, providing maximum irradiation of the liquid.

Это увеличивает эффективность обработки, поскольку излучение ВУФ лампы транспортируется к облучаемой жидкости через оптически прозрачный в ВУФ диапазоне спектра газ.This increases the processing efficiency, since the VUV lamp radiation is transported to the irradiated liquid through a gas that is optically transparent in the VUV spectrum.

Кроме того, при небольших добавках воздуха или кислорода к газу, оптически прозрачному для ВУФ излучения, ВУФ-излучение дополнительно создает в камере озон, который также усиливает процессы разложения органических веществ, содержащихся в жидкости.In addition, with small additions of air or oxygen to a gas that is optically transparent to VUV radiation, VUV radiation additionally creates ozone in the chamber, which also enhances the decomposition of organic substances contained in the liquid.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых (фиг.1) схематически представлены варианты конструктивного исполнения предлагаемого устройства для обработки жидкостей.The invention is illustrated by drawings, in which (Fig. 1) schematically shows options for the design of the proposed device for processing liquids.

Устройство состоит из корпуса 1, ВУФ лампы 2, патрубка для подачи жидкости 3 через систему 4 для равномерного распределения жидкости по боковой внутренней стенке камеры, патрубков 5 и 6 для подачи и удаления газа из объема 7, соответственно, и патрубка для слива обработанной жидкости 8.The device consists of a housing 1, a VUV lamp 2, a nozzle for supplying fluid 3 through the system 4 for uniform distribution of fluid along the side inner wall of the chamber, nozzles 5 and 6 for supplying and removing gas from the volume 7, respectively, and a nozzle for draining the treated fluid 8 .

Дополнительно камера может содержать внутренние боковые перегородки со стекающей жидкостью и несколько ВУФ ламп, что обеспечивает максимальное облучение жидкости.Additionally, the camera may contain internal side walls with flowing liquid and several VUV lamps, which ensures maximum irradiation of the liquid.

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

В корпус 1 через патрубок 3 подается жидкость для обработки. При помощи системы 4 для равномерного распределения жидкости по внутренней боковой поверхности корпуса 1 жидкость стекает тонким слоем, подвергаясь обработке излучением одной или нескольких ламп 2, вытекая из камеры через патрубок 8. Чтобы излучение лампы эффективно действовало на воду, свободный объем камеры 7 через патрубки 5 и 6 во время обработки заполняется прозрачным для ВУФ излучения газом, например аргоном. Благодаря тому, что облучается тонкий слой жидкости, возможна эффективная обработка мутных сред. При движении по стенке жидкость перемешивается, что обеспечивает полный доступ излучения к облучаемому веществу - в облучаемом тонком слое. Дополнительно жидкость облучается не только на стенке, но и на дне камеры. Все это увеличивает эффективность обработки жидкости, особенно жидкостей с большим коэффициентом поглощения. Благодаря заполняющему камеру газу излучение ВУФ лампы без потерь достигает облучаемой жидкости. Излучение в диапазоне длин волн 100-180 нм, в отличие от УФ излучения, позволяет осуществлять сразу два фотолитических процесса. Это, во-первых, прямой фотолиз растворенных в жидкости органических веществ. Во-вторых, это осуществляющийся при использовании ламп с длинами волн излучения λ<190 нм ВУФ фотолиз воды, которая чаще всего является растворителем в обрабатываемых жидкостях. Поскольку концентрация растворенных в воде веществ обычно сравнительно невелика, это излучение поглощается главным образом самой водой и, соответственно, энергия ВУФ излучения тратится главным образом на гомолиз воды:Processing liquid is supplied into the housing 1 through the nozzle 3. Using the system 4 for uniform distribution of liquid along the inner side surface of the housing 1, the liquid flows in a thin layer, being processed by the radiation of one or more lamps 2, flowing out of the chamber through the nozzle 8. In order for the radiation of the lamp to effectively act on water, the free volume of the chamber 7 through the nozzles 5 and 6 during processing, it is filled with a gas transparent to VUV radiation, for example argon. Due to the fact that a thin layer of liquid is irradiated, efficient treatment of turbid media is possible. When moving along the wall, the liquid is mixed, which ensures full access of radiation to the irradiated substance - in the irradiated thin layer. Additionally, the liquid is irradiated not only on the wall, but also on the bottom of the chamber. All this increases the efficiency of processing liquids, especially liquids with a high absorption coefficient. Thanks to the gas filling the chamber, the radiation of the VUV lamp reaches the irradiated liquid without loss. Radiation in the wavelength range of 100-180 nm, in contrast to UV radiation, allows two photolytic processes to be carried out at once. This is, firstly, direct photolysis of organic substances dissolved in liquids. Secondly, the photolysis of water, which is most often a solvent in the processed liquids, is carried out when using lamps with radiation wavelengths λ <190 nm VUV. Since the concentration of substances dissolved in water is usually relatively low, this radiation is absorbed mainly by the water itself and, accordingly, the energy of the VUV radiation is spent mainly on the homolysis of water:

Н₂O+hν→Н₂O∗→Н^•+^•ОН.Н ₂ O + hν → Н ₂ O ∗ → Н ^• + ^• ОН.

Далее загрязнитель (органика природного или техногенного происхождения) реагирует с образовавшимися радикалами и происходит его минерализация:Next, the pollutant (organics of natural or technogenic origin) reacts with the formed radicals and its mineralization occurs:

C_nH_mX_z(hν,O₂)→nCO₂+(m-z)/2Н₂O+zHX,C _n H _m X _z (hν, O ₂ ) → nCO ₂ + (mz) / 2Н ₂ O + zHX,

где X - гетероатомные органические молекулы, которые трансформируются в соответствующие минеральные кислоты НХ (HNO₂, H₂SO₄, НСl, HNO₃ и т.д.).where X is heteroatomic organic molecules that are transformed into the corresponding mineral acids HX (HNO ₂ , H ₂ SO ₄ , Hcl, HNO ₃ , etc.).

При небольших добавках воздуха или кислорода к газу, оптически прозрачному для ВУФ излучения, ВУФ-излучение дополнительно создает в камере озон, который также усиливает процессы разложения органических веществ, содержащихся в жидкости. Добавки воздуха или кислорода не должны быть такими, чтобы существенно уменьшить транспортировку ВУФ излучения лампы к облучаемому слою жидкости.With small additions of air or oxygen to a gas that is optically transparent to VUV radiation, VUV radiation additionally creates ozone in the chamber, which also enhances the decomposition of organic substances contained in the liquid. Air or oxygen additives should not be such as to significantly reduce the transport of VUV lamp radiation to the irradiated liquid layer.

Таким образом, предлагаемое решение - обработка тонкого слоя и создание благоприятных условий для взаимодействия ВУФ излучения с жидкостью - дает совместный качественный эффект, что увеличивает как скорость, так и эффективность обработки жидкости, особенно жидкостей с большим коэффициентом поглощения или жидкостей, имеющих сравнительно слабое поглощение в диапазоне длин волн 200-400 нм. По сравнению с аналогами решение обеспечивает снижение технических затрат на эксплуатацию фотореактора.Thus, the proposed solution — processing a thin layer and creating favorable conditions for the interaction of VUV radiation with a liquid — gives a joint qualitative effect, which increases both the speed and efficiency of processing a liquid, especially liquids with a high absorption coefficient or liquids having a relatively weak absorption in wavelength range 200-400 nm. Compared with analogues, the solution provides a reduction in the technical costs of operating the photoreactor.

Пример исследования функциональной способности предлагаемого устройства для обработки жидкостей.An example of a study of the functional ability of the proposed device for processing liquids.

Для испытаний были взяты растворы метанола при концентрации 50 г/л (производство «ФиКС» ОАО «ТНХЗ») в дистиллированной воде. Концентрацию метанола определяли по гостированной фотометрической методике (ОАО «Томскгеомонито-ринг»). Облучение обычными ультрафиолетовыми лампами, излучающими в диапазоне длин волн 200-400 нм раствора метанола неэффективно, поскольку метанол в указанном диапазоне является оптически прозрачным. Поэтому для облучения была использована ВУФ лампа на димерах ксенона Хе₂∗ с максимумом излучения на λ=172 нм. На этой длине волны и в ее окрестности, как метанол, так и вода имеют сильное поглощение.For testing, methanol solutions were taken at a concentration of 50 g / l (manufactured by FiKS OJSC TNKhZ) in distilled water. The methanol concentration was determined by the guest photometric method (Tomskgeomonito-ring OJSC). Irradiation with conventional ultraviolet lamps emitting a methanol solution in the wavelength range of 200-400 nm is inefficient, since methanol in this range is optically transparent. Therefore, a VUV lamp was used for irradiation on Xeon xenon dimers ₂ * with a radiation maximum at λ = 172 nm. At this wavelength and in its vicinity, both methanol and water have a strong absorption.

Облучение проводили двумя путями.Irradiation was carried out in two ways.

Первый состоял в погружении лампу в раствор. Поскольку вода имеет большой коэффициент поглощения ВУФ излучения (α=550 см^-1 на 172 нм), полное поглощение излучения водой достигается на длине 0.036 мм. Поэтому при облучении раствора Хе₂-лампой в реакторе погружного типа создается ситуация, когда основной объем раствора не подвергается действию излучения, требуется длительная обработка, и только длительное перемешивание раствора, подвергаемого облучению, позволяет действовать на весь объем жидкости. Это удлиняет процедуру обработки.The first was to immerse the lamp in the solution. Since water has a large absorption coefficient of VUV radiation (α = 550 cm ⁻¹ at 172 nm), complete absorption of radiation by water is achieved at a length of 0.036 mm. Therefore, when an Xe ₂ -lamp solution is irradiated in a submersible type reactor, a situation arises when the bulk of the solution is not exposed to radiation, long processing is required, and only long-term mixing of the solution subjected to irradiation allows the entire volume of liquid to be affected. This lengthens the processing procedure.

Во втором случае обработка осуществлялась согласно предложенному техническому решению. Толщина облучаемого слоя составляла примерно 1 мм, а площадь облучаемой поверхности около 100 см². В этом случае 80% снижение концентрации метанола в растворе происходило за время в 4-5 раз меньшее, чем в случае погружного реактора. Процедура не требовала барботирования и перемешивания жидкости, что требуется при использовании ВУФ эксиламп в реакторах погружного типа.In the second case, the processing was carried out in accordance with the proposed technical solution. The thickness of the irradiated layer was about 1 mm, and the irradiated surface area was about 100 cm ² . In this case, an 80% decrease in the concentration of methanol in the solution occurred 4-5 times less than in the case of an immersion reactor. The procedure did not require bubbling and mixing of the liquid, which is required when using VUV excilamps in submersible reactors.

Таким образом, на примере водного раствора метанола продемонстрирована эффективность облучения в предложенном нами устройстве. Устройство является сравнительно простым, не требует применения дополнительных окислителей и представляется перспективным для внедрения в практику.Thus, by the example of an aqueous methanol solution, the irradiation efficiency in the device proposed by us was demonstrated. The device is relatively simple, does not require the use of additional oxidizing agents and seems promising for implementation in practice.

ЛитератураLiterature

1. Dielectric barrier discharge-driven (V)UV light source for fluid treatment // US patent 2002/0089275 A1; H01J 11/00, H01J 61/06, H01J 1/02; Pub. date: Jul. 11, 2002.1. Dielectric barrier discharge-driven (V) UV light source for fluid treatment // US patent 2002/0089275 A1; H01J 11/00, H01J 61/06, H01J 1/02; Pub. date: Jul. 11, 2002.

2. Treatment system comprising a dielectric barrier discharge lamp // WO patent 2006/079982 A1; H01J 61/00; Pub. date: Jan. 25, 2006.2. Treatment system comprising a dielectric barrier discharge lamp // WO patent 2006/079982 A1; H01J 61/00; Pub. date: Jan. 25, 2006.

3. System and processes for disinfecting liquids // WO patent 2007/126864 A1; C02F 1/32; Pub. Date: March 27, 2007.3. System and processes for disinfecting liquids // WO patent 2007/126864 A1; C02F 1/32; Pub. Date: March 27, 2007.

4. Sterilizing device and a method for sterilizing of fluids // WO patent 2005/102401 A2; C02F 1/32; Pub. date: April 20, 2007.4. Sterilizing device and a method for sterilizing of fluids // WO patent 2005/102401 A2; C02F 1/32; Pub. date: April 20, 2007.

5. Oppenländer T. Photochemical Purification of Water and Air. Weincheim: WILEY-VCH Verlag, 2003. - 368 p.5. Oppenländer T. Photochemical Purification of Water and Air. Weincheim: WILEY-VCH Verlag, 2003 .-- 368 p.

6. Method and apparatus for UV-oxidation of toxics in water and UV-desinfection of water//CA patent 2000/2300775; B01J 19/12; B01J 19/24; C02F 1/32; Pub. date: Sept. 17, 2000.6. Method and apparatus for UV-oxidation of toxics in water and UV-desinfection of water // CA patent 2000/2300775; B01J 19/12; B01J 19/24; C02F 1/32; Pub. date: Sept. 17, 2000.

7. UV water disinfector // WO patent 1998/05367 A1; A61L 2/10; Pub. date: Feb. 12, 1998.7. UV water disinfector // WO patent 1998/05367 A1; A61L 2/10; Pub. date: Feb. 12, 1998.

8. Ultraviolet wastewater disinfection system and method // WO patent 2002/055438 A2; C02F; Pub. date: July 18, 2002.8. Ultraviolet wastewater disinfection system and method // WO patent 2002/055438 A2; C02F; Pub. date: July 18, 2002.

9. Debus O. Licht reeinigt Wasser, Chemikalienfreie Oxidation chlororganischer Ab-wasserinhaltsstoffe // Chem. Tech. - 2000. - 29. - No.6. - P.40-42.9. Debus O. Licht reeinigt Wasser, Chemikalienfreie Oxidation chlororganischer Ab-wasserinhaltsstoffe // Chem. Tech. - 2000. - 29. - No.6. - P.40-42.

Claims

A device for treating liquids with ultraviolet radiation, including a vertically located chamber, on the inner surface of the walls of which the irradiated flowing liquid is evenly distributed, and an ultraviolet lamp for irradiating the liquid, characterized in that the chamber is sealed in the form of a cylinder, in the center of which a VUV lamp is located and parallel to the axis spectral range, and the chamber is filled with gas optically transparent for VUV radiation, or with a mixture of gas and oxygen lamps optically transparent for VUV radiation or air.