ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/48 C02F103/34 

Изобретение относится к области очистки воды от физико-химических и микробиологических загрязнений, в том числе от тяжелых металлов, нефтепродуктов, смазочно-охлаждающих жидкостей, органики, токсинов, канцерогенов, микроорганизмов, радионуклидов и других загрязнений, и может быть использовано в любых отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйства в процессах водоподготовки и очистки сточных вод.

Известен способ очистки воды от ионов металлов (Патент Российской Федерации 2049733, МПК⁶ С 02 F 1/46, опубл. 10.12.95, бюл. 34), включающий пропускание очищаемой воды между электродами электролизера с последующим отделением осадка, в котором перед пропусканием очищаемой воды через электролизер в нее вводят суспензию, полученную электроэрозионным диспергированием черных металлов в воде, в количестве 1 г твердого вещества суспензии на 1-10 г ионов металлов в воде с размером частиц диспергированных черных металлов 0,1-10 мкм.

Основными недостатками очистки воды по такому способу коагуляции являются: ограниченная производительность, связанная с малой плотностью тока в основной зоне аппарата очистки, периодический режим работы, большие площади под оборудование, большая энергоемкость и высокая стоимость приборов и оборудования. Повышение производительности требует повышения плотности тока, а это, в свою очередь, требует подкисления воды, что затрудняет поддержание оптимального значения рН, вызывает пассивацию электродов и требует дополнительных мероприятий по их очистке. Пассивация электродов и наличие органических загрязнений в очищенной воде вызывают перенапряжение на электродах, повышая энергоемкость процесса и снижая стабильность работы аппарата очистки. Ограничения по плотности тока приводят к увеличению времени пребывания очищенной воды в активной зоне электролизера, снижая его производительность. Выделяющийся в электролизере водород и кислород создают взрывоопасные смеси, поэтому необходимы сложные мероприятия по их раздельному удалению из многоэлектродного объема аппарата. При очистке нефтепродуктов, маслоэмульсионных вод, поверхностно-активных веществ и других органических соединений электролизный способ очистки воды не рекомендуется.

Наиболее близким к заявляемому способу очистки воды по технической сущности и достигаемому результату является способ электрохимической очистки сточных вод (А. С. СССР 1353743, МПК⁴ С 02 F 1/46, опубл. 23.11.87, бюл. 43) с использованием металлического растворимого анода, в котором используют алюминиевый анод, выполненный в виде гранул, а процесс очистки осуществляют, подавая на анод сильноточные импульсные электроискровые разряды синхронно с импульсным магнитным полем напряженностью 100-150 кА/м при длительности импульсов 2-5 с.

Существенным недостатком предложенного способа является то, что при заявленных параметрах вода обрабатывается импульсным постоянным током в алюминиевых гранулах, выполняющих роль анода. В результате диспергирования алюминия с последующим его окислением водой образуется только гидроксид алюминия Аl(ОН)₃, что не позволяет осуществить эффективную очистку воды различных категорий в широком диапазоне концентраций загрязнений.

Кроме этого, применение дополнительного импульсного магнитного поля высокой напряженности требует дополнительных энергетических затрат, что увеличивает удельный расход энергии на процесс очистки воды и снижает кпд источника тока до 0,7%.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача создать такой способ очистки воды, который базируется на дешевом сырье и характеризуется малостадийностью, низкой энерго- и материалоемкостью, безотходностью, легкостью в управлении и автоматизации, позволяет получить очищенную воду и шламы с ценными физико-химическими свойствами. Безотходность и низкая стоимость очистки воды определяется использованием дешевых отходов металлообработки и получением в одностадийном процессе ценных шламов, содержащих металлы и их оксигидратные комплексы, и чистый водород.

Применение заявляемого способа позволяет получить очищенную воду, не обогащенную анионными осадками солей. Таким образом, удается достигнуть снижения общего солесодержания, что особенно важно для создания систем оборотного водоснабжения.

Кроме того, заявленный способ позволяет одновременно с коагулированием обеспечить формирование кристаллических соединений с высокой сорбционной емкостью что, в свою очередь, обеспечивает достаточную полноту очистки и высокую гидравлическую крупность осадка с плотностью твердой фазы 5-6 кг/м³, занимающего объем в 2-3 раза меньше обычного. При этом включения загрязнений в твердую фазу составляют 3-5%, а полученный шлам состоит на 85-90% из оксидов металла, что представляет собой ценное сырье для производства дорогих и дефицитных химических катализаторов, красителей, наполнителей в производстве керамики, кирпича, бетона и т.п. Кроме повышения степени очистки воды, снижается время обработки, а также уменьшаются энергетические затраты.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе очистки воды, включающем обработку воды и содержащихся в ней загрязнений в гранулированном слое электропроводного материала, например металла, импульсными электрическими разрядами, согласно заявляемому изобретению обработку воды производят последовательной подачей высоковольтных и сильноточных импульсов с противоположной полярностью при соотношении энергий сильноточных импульсов к высоковольтным в диапазоне 0,1-10. Причем напряжение высоковольтных импульсов составляет 800-1000 В, а сильноточных - 100-300 В, а сила тока импульсов составляет, соответственно, 150-300 А и 500-1500 А.

В заявляемом способе обработки воды загрязненная вода обрабатывается импульсными электрическими разрядами в электроразрядной камере с металлической загрузкой в виде гранул. Возникающие при этом высокие локальные температуры, давления, электромагнитные поля и ультразвуковое излучение приводят к образованию в воде химически активных частиц, в том числе атомарного кислорода и водорода, возбужденных молекул и радикалов.

В результате создаются условия для интенсивного разрушения, окисления, восстановления и нейтрализации загрязнений, содержащихся в воде. Одновременно происходит электроимпульсное диспергирование и окисление металла с образованием его оксигидратных форм, которые в процессе коагуляции сорбируют нейтрализованные загрязнения.

Обработка воды путем последовательной подачи высоковольтных и сильноточных импульсов с противоположной полярностью при соотношении энергий сильноточных и высоковольтных импульсов в диапазоне 0,1-10 вызывает деструкцию воды и загрязнений и их активацию, а выделяющийся в процессе окисления металла атомарный водород изменяет гидратацию ионов воды с образованием большого числа свободных мономерных более подвижных молекул воды, тем самым активируя воду.

Применение комбинированных импульсов тока, имеющих область повышенных напряжений и умеренных токов, область пониженных напряжений и больших токов, обусловлено необходимостью обработки воды как многофункциональной энергетикой плазменного разряда, так и получения оксигидратов металла сложного состава, обладающих окислительно-восстановительными, сорбционными, коагуляционными и седиментационными свойствами.

На основании экспериментальных исследований по электроимпульсной очистке воды, содержащей различные загрязнения, нами установлено, что эффективная очистка воды различных категорий достигается при оптимальном отношении энергии импульсов токов при пониженных и повышенных напряжениях, и лежит в диапазоне их отношений 0,1-10.

Изменение отношения энергетических составляющих импульсов тока позволяет изменять фазовый состав образующих оксидов и гидроксидов металлов и, таким образом, управлять эффективностью очистки (полнотой извлечения загрязнений при минимальных затратах энергии).

В области повышенных напряжений и умеренных токов в случае применения ферритовой загрузки (железо) формируются, в основном, ионы двухвалентного железа и оксиды железа FeO, Fе₂O₃, Fе₃O₄, FeOOH, с высокой окислительной и сорбционной поверхностью, что необходимо для извлечения из воды тяжелых металлов, ядохимикатов, радионуклидов, солей жесткости. В области пониженных напряжений и сильных токов синтезируются, в основном, гидроксиды металла Fe(OH)₂ и Fе(ОН)₃ различных модификаций с сильно развитой коагулирующей структурой, активно очищающей воду от нефтепродуктов, водомасляных эмульсий, поверхностно-активных веществ, микробиологических субстанций.

При отношении энергии импульсов ниже 0,1 падает эффективность очистки, а выше 10 - чрезмерно увеличиваются удельные энергетические затраты в связи с нагревом обрабатываемой жидкости.

Способ позволяет осуществить очистку воды от комплекса различных загрязнений. Обработка воды осуществляется подачей высоковольтных импульсов при их напряжении в начальный период 800-1000 В, что обеспечивает стабильное возбуждение лидерного пробоя между гранулами материала (металла) в воде, содержащей различные загрязнения, в том числе соли, кислоты, щелочи, создающие высокую электропроводность жидкости. При напряжениях ниже 800 В реализация импульсного режима затруднена по причине ветвления лидера и его затухания в высокопроводных растворах.

Применение напряжения выше 1000 В нецелесообразно по техническим причинам, так как переводит процесс и аппаратуру в класс высоких напряжений, что удорожает реализацию способа.

Сила тока высоковольтных импульсов составляет 150-300 А. Сила тока ниже 150 А в импульсе малоэффективна по причине низкой диспергирующей способности, а при силе тока выше 300 А часть энергии импульса начинает расходоваться на испарение металла, что также снижает эффективность процесса.

В последующий период обработку воды осуществляют сильноточными импульсами, разряд поддерживается при напряжении 100-300 В. При напряжении ниже 100 В снижается интенсивность деструкции загрязнений и скорость окислительно-восстановительных процессов, а при напряжении выше 300 В растут тепловые потери, что приводит к снижению кпд процесса.

Сила тока таких импульсов составляет 500-1500 А. При импульсах тока ниже 500 А продукты диспергирования в начальный период разряда не успевают полностью прореагировать с водой, а при токах выше 1500 А происходит перегрев очищенной воды, что приводит к нерациональной трате энергии.

Формирование импульсов тока различной полярности обусловлено необходимостью использовать 15-20% энергии в процессах перезарядки, теряемой при однополярных апериодических импульсах.

Пример осуществления способа.

В межэлектродное пространство электроразрядного реактора загружали железные гранулы, догрузка реактора производилась по мере срабатывания гранул. Через реактор прокачивали очищенную воду с расходом 2 м³/ч, содержащую, мг/л: Сr⁺⁶ 37,8; Cu²⁺ 20,0; Zn²⁺ 19,0; Ni²⁺ 28,5; Sn²⁺Sn⁴⁺ 10; CN'' 13,5; при рН=3,8. Обработку вели при подаче импульсов напряжения 700 и 200 В, возбуждающих импульсы тока в слое гранул 250 и 800 А соответственно при средней мощности 0,6 кВт. После реактора вода направлялась в отстойник, в котором происходило осаждение шлама. Через 10 мин воду фильтровали и отбирали пробу на анализ. Остаточная концентрация загрязнений в воде составила, мг/л: Cr⁶⁺<0,02; Си²⁺ 0,15; Zn²⁺ 0,05; Ni²⁺ 0,1; Sn²⁺; Sn⁴⁺ 0,3; CN'' 0,1. Удельные затраты энергии 0,3 кВт•ч/м³, при сумме указанных загрязнений 128,8 мг/л. Расход гранул 50 г/м³. Состав шлама, мас.%: а-Fe 10, FeO 26, Fе₃O₄ 38, P-Fe₂O₃•Н₂О 23, загрязнения суммарно ~3%.

Эффективность электроимпульсного способа очистки воды по данным экспериментов характеризуется снижением загрязнений в воде по ионам тяжелых металлов (Сr⁶⁺, Сu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Cd²⁺) на 95-99%, по токсичным металлам (Be, As) на 97-98%, по нефтепродуктам и смазочно-охлаждающим жидкостям на 98-99%, по радиоактивным веществам на 74-85%, по поверхностно-активным веществам, фосфатам, ядохимикатам на 70-90%. При очистке воды поверхностных водоемов устраняется цветность на 90%, мутность на 100%, железо и кремний на 70-75%, кислород и фитопланктон на 50%. Одновременно в 2-3 раза снижается общая жесткость воды.

С учетом вышеизложенного, а также раскрытой причинно-следственной связи между совокупностью признаков заявляемого изобретения и техническим результатом, можно утверждать, что задача, положенная в основу создания заявляемого способа очистки воды, полностью выполнена, так как заявляемый способ базируется на использовании дешевого сырья, характеризуется малостадийностью, безотходностью, легкостью в управлении и автоматизации. Заявляемый способ позволяет получить очищенную воду, не обогащенную анионными осадками солей.

Помимо этого, снижается время обработки воды и значительно уменьшаются энергетические затраты. Кроме того, он позволяет получить очищенную воду и шламы с ценными физико-химическими свойствами, представляющими собой ценное сырье для производства дорогих и дефицитных химических катализаторов, красителей, наполнителей, используемых в производстве керамики, кирпича, бетона и т.п.

Примеры осуществления способа, подтверждающие заявленные параметры.

Эксперименты проведены на трех импульсных режимах при одинаковых расходах очищаемой воды, концентрации загрязнений и выходной мощности генератора импульсов.

Эффективность очистки воды оценивалась по конечному изменению концентрации загрязнений по результатам анализов и коэффициенту полезного использования импульсной энергии по степени переработки стальной стружки в оксигидратах железа.

Пример 1. Параметры импульсов ниже заявляемых. Энергия импульсов 0,07 Дж.

Напряжение и ток высоковольтных импульсов 700 В и 130 А. Напряжение и ток сильноточных импульсов 80 В и 400 А. Степень очистки по сумме загрязнений 83%. Коэффициент полезного использования 0,68.

Пример 2. Параметры импульсов выше заявляемых. Энергия импульсов 15 Дж.

Напряжение и ток высоковольтных импульсов 1200 В и 350 А. Напряжение и ток сильноточных импульсов 4000 В и 1800 А. Степень очистки по сумме загрязнений 89%. Коэффициент полезного использования 0,51.

Пример 3. Параметры импульсов в пределах заявляемых. Энергия импульсов 2,5 Дж.

Напряжение и ток высоковольтных импульсов 900 В и 230 А. Напряжение и ток сильноточных импульсов 200 В и 1000 А. Степень очистки по сумме загрязнений 98%. Коэффициент полезного использования 0,85.

Изобретение относится к способу очистки воды от физико-химических и микробиологических загрязнений, в том числе от тяжелых металлов, нефтепродуктов, смазочно-охлаждающих жидкостей, органики, токсинов, канцерогенов, микроорганизмов, радионуклидов и других загрязнений, и может быть использовано в любых отраслях промышленности, сельского и коммунального хозяйства в процессах водоподготовки и очистки сточных вод. Способ включает обработку воды и содержащихся в ней загрязнений в гранулированном слое металла импульсными электрическими разрядами. Обработку воды производят последовательной подачей высоковольтных и сильноточных импульсов с противоположной полярностью при отношении энергий сильноточных импульсов к высоковольтным в диапазоне 0,1-10, причем напряжение высоковольтных импульсов составляет 800-1000 В, а сильноточных - 100-300 В, а сила тока импульсов составляет соответственно 150-300 и 500-1500 А. Технический результат состоит в снижении времени очистки и уменьшении энергетических затрат.

Способ очистки воды, включающий обработку воды и содержащихся в ней загрязнений в гранулированном слое металла импульсными электрическими разрядами, отличающийся тем, что обработку воды производят последовательной подачей высоковольтных и сильноточных импульсов с противоположной полярностью при соотношении энергий сильноточных импульсов к высоковольтным в диапазоне 0,1-10, причем напряжение высоковольтных импульсов составляет 800-1000 В, а сильноточных 100-300 В, а сила тока импульсов составляет, соответственно, 150-300 А и 500-1500 А.