СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/467 

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к способам обеззараживания хозяйственных и технических вод, и может быть использовано в качестве способа для обеззараживания любых жидких сред.

Известен способ обеззараживания сточных вод (СВ) производств медицинских препаратов, заключающийся в том, что перед их сбросом в городскую канализацию применяют каталитическое окисление Н₂О₂ с гетерогенными катализаторами (пиролюзит, силикагель с палладиевым покрытием или окислением Н₂О₂ и действием УФ-излучения). Обработанная вода нетоксична к микроорганизмам активного ила и может быть направлена на сооружение биохимической очистки [1]
Недостатками известного способа являются: высокая длительность процесса; многостадийность способа, обусловленная необходимостью последующей биохимической очистки; высокие материальные затраты, связанные с расходованием реагентов; необходимость регенерации катализатора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ обеззараживания СВ, включающий обработку жидкости высоковольтным импульсным разрядом, создаваемым над ее поверхностью [2]
В качестве одного из электродов используют поверхностный слой жидкости. Процесс осуществляют в присутствии кислородсодержащего газа (технический кислород) при амплитуде напряжения высоковольтного импульсного разряда 100-500 кВ, который обеспечивает условия для образования температуры, значительно повышающей температуру кислородсодержащего газа. В реакционной камере образуются ионы: O^-, O₂^-, O₃^-, H₂O^-, OH^- и др. возникающие в процессе непрерывноследующих дискретных импульсных разрядов, и происходит ряд химических реакций с дополнительным образованием высокореакционных окислителей. При этом толщина слоя жидкости 1-5 мм. Промышленные стоки и другие жидкости, обрабатываемые по данному способу, подвергают предварительной фильтрации.

Основными недостатками прототипа являются:
высокая длительность процесса;
многостадийность способа, обусловленная необходимостью предварительной фильтрации СВ и последующей обработкой высоковольтным импульсным разрядом;
необходимость повышенных требований к технике безопасности, связанные с получением высоковольтного импульсного разряда напряжением 100-500 кВ и присутствия высокотоксичного озона;
высокие материальные и энергетические затраты, обусловленные необходимостью присутствия в зоне реакции кислородсодержащего газа (кислород технический O₂ 93% N₂ 7%) и применением высоковольтного импульсного разряда.

Целью изобретения является снижение длительности процесса обеззараживания, материальных и энергетических затрат, повышение способа и его упрощение.

Это достигается тем, что в известном способе обеззараживания СВ, включающем обработку жидкости высоковольтным разрядом, согласно изобретения, процесс ведут в проточном режиме при прохождении жидкости через зоны совместного действия ионов тяжелых металлов, образующихся при наложении электрического поля на пластину или сетку из соответствующего металла, вводимую в зону реакции и тлеющего разряда постоянного напряжения 0,35-8 кВ, силе тока 40-200 мА, давлении в зоне реакции 0,1:100 мм рт.ст. температуре, ниже температуры кипения раствора, при этом катод и/или анод расположен над поверхностью обрабатываемой жидкости на расстоянии 0,5-30 мм.

При прохождении жидкости через зоны действия тлеющего разряда, а следовательно, через электрическое поле, микроорганизмы, имеющие отрицательный заряд, концентрируются вблизи поверхности раствора. Указанный эффект усиливают сорбционные процессы выделяющегося водорода в результате действия тлеющего разряда, а поток энергии 100 эВ и в том числе действие заряженной частицы Н₂О⁺ вызывают процессы, приводящие к гибели или разрушению микроорганизмов. Указанная частица возникает только в условиях тлеющего разряда (т.е. при пониженном давлении, когда над поверхностью жидкости возникают пары воды). В этой связи имеет значение размер зоны контакта разряда с жидкофазным реагентом, которая увеличивается с понижением давления, а энергозатраты при этом значительно снижаются. Установлено, что оптимальным расстоянием расположения анода и/или катода над поверхностью жидкости является величина, не превышающая 30 мм. Это связано с формированием зон тлеющего разряда. При удалении анода от поверхности жидкости на большую величину энергозатраты значительно увеличиваются.

Величина напряжения на разрядном промежутке связана с составом обрабатываемой жидкости и снижается с увеличением солесодержания. Одной из главных характеристик процесса является сила тока разряда, но ее увеличение свыше 200 мА приводит к возникновению дугового разряда и резкому снижению эффективности способа.

Бактерии, протоплазма которых имеет отрицательный электрический заряд, притягивает к себе положительно заряженные ионы тяжелых металлов. При их соприкосновении с бактериями последние в результате физиологического воздействия на них гибнут.

Ведение процесса возможно при различном расположении электродов: анод в жидкости, катод в газовой фазе; катод в жидкости, анод в газовой фазе; анод и катод в газовой фазе. В последнем случае необходимо соблюдать условие, которое предполагает, что сопротивление между электродами должно быть больше сопротивления между каждым электродом и обрабатываемой поверхностью воды.

При реализации схемы, предполагающей расположение катода в газовой фазе, необходимо его охлаждение, например, пропускание воды через полый электрод. В противном случае возникает локальный перегрев и электрод выйдет из строя.

Необходимо подчеркнуть, что при всех схемах обработки жидкостей достигаемый результат практически одинаков. Приведенные данные для случая анода приемлемы для двух других вариантов.

Основными критериями выбора материала электродов является их электропроводимость и эрозионная стойкость.

Одним из условий эффективности метода является отсутствие конвективных процессов в жидкости, наличие которых приводит к дестабилизации разряда. Исключить нежелательное кипение раствора можно снижением его температуры, например, путем пропускания хладагента (воды) через полый электрод. Достичь стабильность разряда можно также изменением давления в зоне реакции. Другими словами необходимы условия, обеспечивающие рабочую температуру воды ниже температуры ее естественного кипения. Следует также отметить, что уменьшение температуры от минимального значения до оптимального возможного практически не отражается на эффективности метода.

П р и м е р. Воду с концентрацией микроорганизмов 10¹² особей/л подают в реакционную зону в виде жидкой пленки и воздействуют тлеющим разрядом с параметрами U 500 B, I 100 мА, давление в зоне реакции Р 50 мм рт.ст. температура реакционной массы 298 К, расстояние от поверхности жидкости до анода 10 мм, совместно с воздействием иона серебра на обрабатываемую жидкость при наложении электрического поля на серебряную пластину или сетку.

Результаты испытаний известного и предлагаемого способа представлены в таблице.

Наиболее устойчивыми микроорганизмами прототипа являются Aerobacter agrogenes и Aerobacter clоacae, которые относятся к семейству Enterobacteriaceae. К этому же семейству принадлежат бактерии E. Coli, являющиеся санитарным показателем загрязнения окружающей среды вследствие своей большей устойчивости к воздействию внешних факторов. Необходимо подчеркнуть, что устойчивость бактерий в растворе определяется не только специфическими биологическими свойствами, но и их концентрацией, которая для условий предлагаемого способа на несколько порядков выше по сравнению с прототипом.

Анализ данных таблицы свидетельствует о том, что
интенсивность обеззараживания зависит от тока разряда и растет по мере его увеличения. Однако при 1 > 200 мА возникает дуговой разряд, приводящий к повышенному разогреву реакционной массы и усилению конвективных процессов, снижающих эффективность способа, а при 1 < 40 мА тлеющий разряд неустойчив;
оптимальная область давлений составляет 0,1:100 мм рт.ст. При больших значениях давления активная зона реакции уменьшается, что в итоге приводит к возникновению дугового разряда;
удаление анода от поверхности реакционной смеси ведет к повышению скорости процесса. Однако дальнейшее увеличение разрядного промежутка нежелательно, так как приводит к росту энергетических затрат;
самыми высокими бактерицидными свойствами, по отношению к перечисленным в таблице бактериям обладают ионы серебра.

Из приведенных в прототипе данных следует, что время обработки самых устойчивых микроорганизмов (Aerobacter cloacae) при концентрации в воде 10⁹ особей/л составляет 27. В предлагаемом техническом решении представлены данные по обеззараживанию более устойчивых бактерий с концентрацией системы, в 10³ раз превышающей концентрацию микроорганизмов прототипа. При этом длительность процесса обеззараживания снижается в 1,4-6,7 раза при 100% степени обеззараживания.

Таким образом предлагаемое техническое решение позволяет:
сократить длительность процесса в 1,4-6,7 раз;
снизить напряжение в 31-714 раз и, как следствие, повысить безопасность процесса;
снизить материальные затраты (технический кислород);
исключить стадию предварительной фильтрации обрабатываемых жидких сред.

В обеззараживаемую жидкость перед зоной разряда вводят дополнительные электроды из тяжелых металлов, обработку ведут в проточном режиме тлеющим разрядом постоянного напряжения 0,5 8,0 кВ и силе тока 40 200 мА при давлении в зоне реакции 0,1 100 мм рт. ст. и температуре ниже температуры кипения обрабатываемой жидкости, при этом один или оба электрода размещены в газовой фазе на расстоянии 0,5 30,0 мм от поверхности обрабатываемой жидкости. 1 табл.

СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ, включающий обработку жидкости электрическим высоковольтным разрядом, создаваемым при помощи электродов, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени обработки, упрощения процесса и повышения его безопасности при сохранении высокой степени обеззараживания, в обрабатывемую жидкость перед зоной разряда вводят дополнительные электроды из тяжелых металлов, обработку ведут в проточном режиме тлеющим разрядом постоянного напряжения 0,35 8,0 кВ и силе тока 40,0 200,0 мА при давлении в зоне реакции 0,1 100,0 мм рт.ст. и температуре ниже температуры кипения обрабатываемой жидкости, при этом один или оба электрода размещены в газовой фазе на расстоянии 0,5 30,0 мм от поверхности обрабатываемой жидкости.