способ очистки и стерилизации жидких или газообразных сред и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки и стерилизации жидких или газообразных сред путем обработки их импульсными высоковольтными разрядами, генерирующими УФ-излучение, характеризующийся тем, что импульсные высоковольтные разряды создают по поверхности периодически формируемой и взрывающейся в воздушной, газовой или инертной газообразной среде тонкой водяной струи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для генерирования УФ-излучения с содержанием жесткого УФ-излучения - с длиной волны меньше 190 нм - не менее 10% создают импульсные высоковольтные разряды с энергией одного импульса не менее 0,1 Дж.

3. Устройство для очистки и стерилизации жидких или газообразных сред путем обработки их импульсными высоковольтными разрядами, включающее реактор с патрубками для ввода и вывода очищаемой жидкости или газа, снабженный двумя электродами для подачи высокого напряжения, характеризующееся тем, что один из указанных электродов выполнен в виде полой трубки для формирования тонкой струи воды, достигающей второго электрода и замыкающей электрическую цепь, создающую импульсный высоковольтный разряд по поверхности струи воды, взрывающий струю и разрывающий электрическую цепь.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что при очистке жидких сред ввод очищаемой жидкости выполнен с возможностью ее стекания по стенкам реактора, а объем реактора заполнен воздухом или инертным газом.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что при очистке газообразных сред ввод очищаемого газа выполнен с возможностью создания потока очищаемого газа через объем реактора.

6. Устройство по любому из пп.3-5, отличающееся тем, что реактор выполнен с возможностью формирования нескольких тонких струй воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очистки и стерилизации жидких и газообразных сред электрохимическими методами, и может быть использовано для обработки питьевых и сточных вод, других жидкостей или воздуха и газов в различных отраслях хозяйства, в микробиологии, медицине и т.д.

Широкое распространение в различных способах очистки воды нашли процессы окисления. В известных способах для окисления органических загрязнений используют ультрафиолет (УФ) в сочетании с озоном или перекисью водорода. Системы, основанные на этих процессах, хорошо развиты и, в большинстве случаев, коммерчески доступны. Большинство органических загрязнителей восприимчиво к разрушению при УФ окислении, включая нефтяные углеводороды, хлорированные углеводороды, используемые как индустриальные растворители, и артиллерийские взрывчатые вещества типа 2,4,6-тринитротолуола. Во многих случаях хлорированные углеводороды, которые являются стойкими к биологическому распаду, можно эффективно разложить при УФ окислении. Как правило, легкоокисляемые органические соединения с двойными связями (например, перхлорэтилен, хлорид винила) или простые соединения ароматического ряда (например, толуол, бензол, ксилол, фенол) быстро разрушаются при УФ окислении.

Однако улучшенные технологии УФ окисления включают электромеханическую систему «дворника», которая снижает потери эффективности процесса из-за загрязнения стекла УФ лампы. Требуется предобработка водного потока для того, чтобы минимизировать очистку и обслуживание УФ реактора и кварцевого стекла. Кроме того, обрабатываемый водный поток должен быть относительно свободен от ионов тяжелых металлов (содержание менее 10 мг/л) и нерастворимых в воде масел и жиров. Эти факторы существенно усложняют технологию и снижают ее потенциал.

В известном способе электроплазменной очистки сточных вод от жира и масел (Заявка РФ №93053765, C02F 1/48, C02F 1/40, C02F 1/469, 27.03.1996) водный поток насыщают озонсодержащим газом, затем ему сообщают вращательное турбулентное движение. После подачи в емкость производят электроразряд по "зеркалу" водного потока, причем образовавшуюся при разряде электроплазменную дугу перемещают по "зеркалу" водного потока вращающимся электромагнитным полем. Устройство, осуществляющее этот способ, содержит емкость с центральным положительным электродом, кольцевым отрицательным электродом и кольцевым карманом, имеющим патрубок вывода водного потока и кольцевую электромагнитную катушку. Центральный электрод имеет наконечник в виде диска, расположенного параллельно поверхности водного потока. Недостатками данного известного решения являются необходимость использования озонопроизводящего оборудования и сложность устройства для осуществления очистки воды.

Известны способы очистки воды, использующие для генерирования УФ различные типы разрядов. Важным преимуществом такой технологии является отсутствие любых УФ ламп и специального оборудования для производства озона (V.M.Shmelev, N.V.Evtyukhin, J.O.Chae, Chemical Physics, 1996, v.15, №3, p.140; V.M.Shmelev et al., Chemical physics, 2004, v.23, №9, pp.77-84).

Например, воду обрабатывают плазмой электрического разряда, создаваемой в газовой (кислородной) фазе над слоем жидкости (Патент РФ №2174103, C02F 1/46, 27.09.2001). При этом плазму возбуждают над поверхностью гидрофильного инертного материала, непрерывно пропитываемого очищаемой водой, при плотности тока разряда 1-10 мкА/см и напряжении 5-15 кВ. Недостатками данного способа очистки воды являются необходимость использования специально получаемого гидрофильного материала, а также кислорода в качестве плазмообразующего газа.

Наиболее близкими к предлагаемым способу и устройству являются способ очистки и обеззараживания воды и устройство для его реализации, описанные в патенте РФ №2095151, В03С 5/00, C02F 1/46, 10.11.1997 (прототип). Воду обрабатывают по поверхности скользящими импульсными разрядами, прилагая высоковольтное напряжение, при этом скорость нарастания напряжения 10¹³ В/с, скорость спада напряжения 10¹³ В/с, а величина напряжения обеспечивает удельный энерговклад за один разрядный импульс не менее 0,3 Дж/л. Устройство-прототип включает камеру для обрабатываемой жидкости, высоковольтный импульсный источник питания, по крайней мере один высоковольтный электрод, расположенный непосредственно на поверхности воды, и заземленный электрод, расположенный на дне камеры.

Известные способ и устройство (прототип) не решают проблемы организации потока обрабатываемой жидкости вблизи электроразряда, полноты обработки всего объема жидкости и эффективности очистки воды (степень обеззараживания воды недостаточна). Способ не позволяет производить очистку газообразных сред. Кроме того, применение дорогостоящего импульсного высоковольтного источника питания делает данное решение экономически и энергетически не выгодным.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого способа очистки и стерилизации жидких или газообразных сред, который позволит обрабатывать всю массу проходящей жидкости или газа и обеспечит повышение эффективности очистки. Задачей изобретения является также разработка устройства для осуществления предлагаемого способа, отличающегося по сравнению с известными устройствами простотой экономичностью и повышенной степенью обеззараживания жидких и газообразных сред.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом очистки и стерилизации жидких или газообразных сред путем обработки их импульсными высоковольтными, разрядами, генерирующими УФ излучение, в котором импульсные высоковольтные разряды создают по поверхности периодически формируемой и взрывающейся в воздушной, газовой или инертной газообразной среде тонкой водяной струи.

Для генерирования УФ излучения с содержанием жесткого УФ излучения - с длиной волны меньше 190 нм - не менее 10% создают импульсные высоковольтные разряды с энергией одного импульса не менее 0,1 Дж.

Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым устройством для очистки и стерилизации жидких или газообразных сред путем обработки их импульсными высоковольтными разрядами, включающим реактор с патрубками для ввода и вывода очищаемой жидкости или газа, снабженный двумя электродами для подачи высокого напряжения, в котором один из указанных электродов выполнен в виде полой трубки для формирования тонкой струи воды, достигающей второго электрода и замыкающей электрическую цепь, создающую импульсный высоковольтный разряд по поверхности струи воды, взрывающий струю и разрывающий электрическую цепь.

При очистке жидких сред ввод очищаемой жидкости выполнен с возможностью ее стекания по стенкам реактора, а объем реактора заполнен воздухом или инертным газом.

При очистке газообразных сред ввод очищаемого газа выполнен с возможностью создания потока очищаемого газа через объем реактора.

Реактор может быть выполнен с возможностью формирования нескольких тонких струй воды.

Предлагаемые способ и устройство были разработаны на основе детальных экспериментальных исследований (на модельном реакторе) взаимосвязи и влияния на эффективность процесса таких параметров способа и устройства, как диаметр капилляра для формирования тонкой водяной струи, расстояние между электродами, величина высоковольтного напряжения для создания разряда, энергия одного импульсного разряда и доля жесткого УФ ( <190 нм) в спектре излучения плазмы разряда.

Важным отличием и существенным преимуществом заявляемого решения является отсутствие необходимости использования дорогостоящего импульсного высоковольтного блока питания. Разрядные импульсы генерируются автоматически при периодическом формировании и взрыве водяной струи.

Спектральные характеристики радиации разряда определяются его температурой (согласно закону Планка для излучения абсолютно черного тела). Температура плазмы скользящего разряда может достигать 20000К и зависит от энергии разряда. В наших экспериментах при подаче на электроды напряжения 10-20 кВ энергия одного импульсного разряда могла быть различна в широком диапазоне. При значении энергии одного импульсного высоковольтного разряда не менее 0,1 Дж плазменная температура скользящего разряда достигала 8000-12000К, при этом мы наблюдали высокую интенсивность излучения в области жесткой УФ радиации: доля излучения с <190 нм составляла не менее 10%, что позволяет существенно повысить эффективность очистки и стерилизации.

На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства для осуществления предлагаемого способа, где 1 - реактор, 2А - электрод в виде полой трубки, 2 - второй электрод, 3 - отверстие для ввода воды в канал электрода 2А, 4 - патрубок для ввода очищаемой жидкости или газа, 5 - патрубок для вывода воды и очищенной жидкости, 6 - патрубок для вывода очищенного газа с заглушкой 7, С - конденсатор, R - сопротивление, U₀ - высокое напряжение.

На фиг.2 и фиг.3 приведены схемы работающего заявляемого устройства:

фиг.2 - на примере очистки воздуха, где 8 - струя воды, 9 - поверхностный скользящий разряд, заглушка 7 на патрубке 6 открыта;

фиг.3 - на примере очистки жидкости, где 8 - струя воды, 9 - поверхностный скользящий разряд, 10 - поток очищаемой жидкости (объем реактора заполнен воздухом или инертным газом), заглушка 7 на патрубке 6 закрыта.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В реактор 1 (заполненный воздухом или инертным газом при очистке жидких сред) через патрубок 4 непрерывно поступает на очистку поток жидкости или газа, одновременно в отверстие 3 для ввода воды в канал электрода 2А (для формирования струи воды) непрерывно подается вода. На электроды (2А и 2) от конденсатора С подается высокое напряжение (10-20 кВ). Тонкая струя воды 8, вытекающая из электрода 2А, направляется ко второму электроду 2, расположенному ниже по течению струи 8, и замыкает электрическую цепь - при этом возникает скользящий по поверхности струи воды 8 высоковольтный разряд 9, который взрывает струю и разрывает электрическую цепь. Это явление электрического "взрыва водяной струи" подобно эффекту "взрыва металлического проводника", хотя механизм формирования токового канала в этих двух случаях различен. Поверхностный разряд сопровождается интенсивной УФ радиацией с высокой долей жесткого УФ. Следующий разряд возникает с формированием новой водяной струи, которая также взрывается, и так далее. (Выключатель в электрической цепи не требуется). Вода для формирования струи подается под небольшим давлением, обеспечивающим сохранение формы струи до достижения электрода 2 для замыкания электрической цепи. Очищенная и обеззараженная под действием жесткого УФ излучения жидкая или газообразная среда выводится через соответствующие патрубки (5 или 6).

Как уже упоминалось, в предлагаемом способе нет необходимости в использовании дорогостоящего импульсного высоковольтного блока питания. Ключевые элементы электрической цепи - элементарное электропитание высокого напряжения (10-20 кВ) и набор конденсаторов для импульса.

При возникновении на поверхности водяной струи скользящего высоковольтного разряда происходит дробление струи на мельчайшие капельки, при этом в каплях воды и в потоке очищаемой среды под действием жесткого УФ излучения образуются активные частицы (радикалы), такие как О₃, О, ОН и др. Очистка и стерилизация обрабатываемых сред осуществляется в результате комплексного воздействия на органические и биологические загрязнители УФ радиации и активных радикальных частиц. Прямой эффект УФ радиации приводит к быстрой гибели бактерий и вирусов и вызывает деструкцию молекул органических загрязнений. Радикальные частицы (О ₃, О, ОН) являются сильнейшими окислителями, особенно гидроксильный радикал (ОН) - его реакционная способность в миллионы раз выше реакционной способности озона - с гидроксильным радикалом реагируют практически все органические соединения. При наблюдаемой в наших экспериментах высокой интенсивности жесткого УФ излучения концентрация гидроксильных радикалов достигает больших значений, что обеспечивает более высокую эффективность очистки по сравнению с другими сопоставимыми методами.

Предварительные эксперименты показали, что предлагаемый способ имеет большие перспективы. При проведении Coli-теста на спорах Bacillus Subtillus была достигнута 100%-ная стерилизация воды при концентрации фрагментов 10⁵ в см³. В случае химического загрязнения воды фенолом (концентрация 1 мл/л) эффективность водоочистки составила 99%. В этих примерах 100%-ная биологическая стерилизация на представительском уровне примеси и очистка от химических реагентов (фенол) при их максимальной концентрации до 10% была реализована с потреблением энергии от 1 до 100 кВт·час/м³.

Таким образом, предложенная новая технология очистки жидких и газообразных сред на основе электрического высоковольтного импульсного разряда, распространяющегося по поверхностности тонкой взрывающейся водяной струи, по сравнению с известными имеет существенные преимущества. Благодаря высокой интенсивности излучения в области жесткой УФ радиации и большим концентрациям наиболее активных радикальных частиц создаются оптимальные условия для протекания процессов окисления и обеззараживания, что позволяет значительно повысить эффективность очистки и стерилизации. Комплексному воздействию УФ излучения и активных частиц подвергается вся масса проходящей жидкости или газа. Разработанное устройство максимально эффективно по стоимости и удобно в эксплуатации из-за исключительной простоты. Ожидаемая стоимость системы в случае массового производства реакторов будет на порядок ниже, чем у систем с ртутными лампами. Эксплуатационные расходы также ниже.